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SENSOR CAPACITIVO INTERDIGITAL PARA DETECÇÃO DE DEPOSIÇÃO DE PARAFINA EM
OLEODUTOS
JEAN P. N. LONGO, ALUÍSIO DO N. WRASSE, EDUARDO N. DOS SANTOS, MARCO J. DA SILVA, RIGOBERTO E. M. MORALES
Laboratório de Sensores e Instrumentação Industrial, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Avenida Sete de Setembro, 3165 - Rebouças, Curitiba - PR - Brasil, 80230-901 [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract— Wax deposition in pipelines is a significant issue in the petroleum industry. Wax formation and deposition on the walls of pipelines has a significant consequence that may reduce pipeline throughput. In this paper, we describe the development of an interdigital capacitive sensor for the
monitoring of wax deposition. The sensor is evaluated regarding capacitance measurement accuracy, penetration depth and time response. An initial
experimental test is performed in which wax solidification process is monitored with the developed system showing encouraging results.
Keywords— interdigital structure, capacitive sensor, wax sensor, wax deposition, oil pipeline.
Resumo— A deposição de parafina em oleodutos é um problema significativo que ocorre na indústria petrolífera. A formação e deposição de parafina nas
paredes internas das tubulações pode reduzir o rendimento em linhas de produção de petróleo. Nesse artigo, é descrito um sensor capacitivo interdigital para o monitoramento da deposição de parafina. O sensor foi avaliado quanto exatidão de medida de capacitância, profundidade de penetração de campo elétrico e
tempo de resposta. Um teste inicial foi realizado, no qual o processo de solidificação da parafina é monitorado utilizando o sistema desenvolvido,
apresentando resultados promissores.
Palavras-chave— estrutura interdigital, sensor capacitivo, sensor parafínico, deposição de parafina, oleoduto.
1 Introdução
O transporte do óleo bruto é feito por uma rede de tubulações que tem se tornado cada vez mais importante para o sucesso da produção offshore. O óleo bruto contém uma concentração significante de ceras parafínicas, asfaltenos e outras substâncias (Bomba 1986; Hamouda & Davidsen 1995) e em certas condições (como alta pressão e baixa temperatura), a deposição de parafina nas tubulações pode ocorrer. O acúmulo dessas ceras no interior dos oleodutos diminui seu diâmetro útil e consequentemente reduz a vazão de óleo, o que acaba resultando em uma maior pressão no bombeamento. Assim, a parafina pode causar diversos danos ao processo e equipamentos, diminuindo a eficiência dos mesmos ou até interrompendo a produção (Coto et al., 2008).
Existem algumas técnicas de predição da deposição de parafina em oleodutos baseadas em correlações empíricas que foram obtidas através de experimentos controlados (Escobar-Remolina, 2006; Banki et al., 2008). Além disso, para prevenir o fenômeno, a utilização de inibidores químicos foi investigada por diferentes autores (Machado et al., 2001; Gentili, 2004; Guo et al., 2006; Jennings et al., 2006). Uma revisão mais crítica da formação dos depósitos parafínicos foi dada recentemente por Aiyejina (Aiyejina et al., 2011). Para a detecção da formação parafínica, técnicas de medição apropriadas são necessárias. Em estudos experimentas são utilizadas técnicas de medida de espessura e taxa de deposição, por exemplo, o uso de câmara de escoamento de placas paralelas é descrito por Tinsley e Prud’homme (Tinsley & Prud’homme, 2010) e atenuação de raios laser para espessura de parafina foi investigada por Zaman et al (Zaman et al., 2006).
Para investigar o processo de deposição de parafina nos oleodutos, um sistema baseado no uso de uma sonda capacitiva é proposto, descrito e testado, podendo apresentar-
se como alternativa de baixo custo para monitoração continua e para aplicação em técnicas de prevenção.
2 Técnicas de medição
Diversas técnicas vêm sendo aplicadas no monitoramento da deposição parafínica em dutos. Pulsos de pressão permitem analisar a variação de pressão, em função do tempo, provocada ao longo do tubo; o uso dessa tecnologia consegue informações precisas sobre os depósitos sólidos, como suas dimensões. Entretanto, ela apresenta limitação no alcance para a detecção de parafinas, pois não atinge um correto monitoramento a distâncias acima de 12 metros, o que é pouco tendo em vista o comprimento dos oleodutos. (Gudmundsson et al., 2001). Além disso, na sua instalação, esta técnica pode interferir de forma significativa na diminuição do fluxo dos escoamentos, uma vez que necessita de grande número de válvulas, comprometendo assim a viabilidade de sua utilização.
Uma técnica de instrumentação não intrusiva e que permita uma inspeção imediata que pode produzir informação detalhada sobre o interior do tubo pode ser verificada utilizando o ultrassom (Zaman et al., 2004). Já na técnica de radiografia (Edalati et al., 2006), desenvolve-se um método para medição da espessura da parede, inspeção de corrosão e grau de depósitos em dutos. Dessa maneira, é possível avaliar o grau de perdas no escoamento por estes fatores, e viabilizar o escoamento de acordo com a vida útil destes dutos.
De acordo com a aplicação industrial, cada uma dessas técnicas pode oferecer um resultado melhor que a outra. As técnicas de ultrassom são não intrusivas, apresentam custo não tão elevado e são mais simples se comparadas com técnicas como a radiografia. Apesar de seu alto custo, a radiografia, por sua vez, apresenta melhor precisão e permite a reconstrução da imagem do escoamento.
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Entretanto, sensores capacitivos são bastante utilizados para detecção de fração de vazio (quantidade gás) em misturas gás-líquido e podem ser usados para prever a razão da concentração em misturas de duas fases, desde que elas tenham diferentes permissividades elétricas. Os eletrodos do transdutor agem como um detector de capacitância, sendo esta proporcional às mudanças da permissividade da mistura. Sendo assim, a capacitância entre os eletrodos varia de acordo com a razão de volume das substâncias envolvidas, e de sua distribuição dentro do duto. Em virtude de sua simplicidade - comparada às demais técnicas, baixo custo e curto tempo de resposta, optou-se pelas técnicas baseadas em medida de capacitância.
3 Eletrônica associada
A. Análise básica do circuito
O comportamento elétrico geral de fluidos entre dois eletrodos para faixas de frequência um pouco acima de Megahertz é dada por um capacitor em paralelo com um resistor, representando a impedância equivalente do circuito. No presente trabalho, óleo e parafina representam somente a parte capacitiva. Assim, a impedância desconhecida é formada por um único capacitor Cx. Para a medida de capacitâncias, uma técnica conhecida como auto-balancing bridge ou amplificador de transimpedância (Da Silva et al., 2007) é utilizada, como demonstrado na figura 1, onde, Vi é a tensão de excitação e Cf junto com Rf são a rede de realimentação. Além disso, Cs1 e Cs2 representam as capacitâncias parasitas para o potencial de terra, que são causadas, por exemplo, pelos cabos usados para conectar o circuito com o sensor. Em princípio, essas capacitâncias parasitas não tem influência no circuito, desde que Cs1 seja diretamente associada a fonte de tensão e Cs2 esteja virtualmente aterrado pelo amplificador operacional.
Figura 1. Circuito para medição de impedância.
O amplificador de transimpedância converte a corrente em uma tensão Vo dada por:
x f
o i
f f 1
j C RV V
j C R
onde ω = 2πf, f é a frequência do sinal senoidal de excitação e j é a unidade imaginária (j
2 = −1). Quando a capacitância
de realimentação é selecionada para ser dominante, i.e.
ωRfCf 1 (1) pode ser simplificada para:
x
o i
f
C
V VC
Assim, a capacitância no sensor Cx é diretamente
proporcional à permissividade x da substância de acordo com
x 0 g xC k
onde kg é o fator geométrico que depende dos parâmetros de
construção do sensor e 0 = 8,85pF/m é a permissividade absoluta.
B. Sensor interdigital capacitivo
Um sensor interdigital foi construído na parte inferior de um recipiente (Fig. 2, Fig. 4b), o qual foi usado para conter o fluido sob análise (caixa acrílica de 54 x 54 x 54 mm). Cada “dedo” da estrutura interdigital tem uma largura de a = 1 mm e o espaço entre dois “dedos” adjacentes quaisquer é também a. Aplicando um sinal senoidal no eletrodo excitador E1 um campo elétrico é gerado e penetra na amostra, sendo medido pelo eletrodo E2.
Figura 2. Esquemático do sensor e dimensões.
O comprimento de onda espacial de uma estrutura interdigital é definido como a distância entre os centros dos
“dedos” (Mamishev et al., 2004), nesse trabalho = 4 mm. A profundidade de penetração do campo elétrico gerado por um sensor interdigital dentro da substância em análise é proporcional ao comprimento de onda espacial. De acordo com Li et al. (Li et al., 2006) a profundidade de penetração
pode ser definida como um terço de .
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Figura 3. Diagrama de blocos do sistema de medida desenvolvido.
4 Descrição do sistema
Uma eletrônica foi desenvolvida e é responsável por gerar o sinal senoidal de excitação do sensor e monitorar a resposta do mesmo. A figura 3 retrata o diagrama de blocos do circuito eletrônico. Um gerador de sinal/sintetizador de frequência digital (DDS) gera o sinal de tensão senoidal de excitação (AD8305) que é acoplada ao eletrodo transmissor. Frequências de 200 kHz até 10 MHz podem ser geradas e são selecionáveis pelo usuário através de um software dedicado. A tensão de excitação é conduzida até o eletrodo transmissor por meio de cabo coaxial. Outro gerador de sinal foi utilizado como referência de amplitude e fase. Tal sinal é posteriormente levado ao amplificador subtrator (AD830). Assim, é possível detectar pequenas variações de capacitância, como esperado na deposição de parafina em meio ao óleo, uma vez que suas permissividades são muito próximas. A corrente elétrica que flui para o eletrodo receptor é convertida em tensão pelo amplificador de transimpedância (OPA656). Um amplificador demodulador linear (LTC5507) foi usado para converter a onda senoidal em uma tensão contínua proporcional. Os amplificadores condicionadores de sinal são usados para remover o offset introduzido pelo demodulador e para condicionar a faixa de conversão de sinal analógico para digital no microcontrolador (PIC18F2320). A eletrônica desenvolvida juntamente com o sensor capacitivo pode ser vista na figura 4.
(a) (b)
Figura 4. (a) Foto da eletrônica (b) Foto do sensor capacitivo interdigital.
O valor de tensão medido pelo sensor é proporcional à corrente elétrica que flui do eletrodo transmissor ao receptor
bem como as permissividades desconhecidas do material x ,
portanto a partir de (2) e (3) temos:
o xV a b
onde a e b são constantes que englobam o fator de geometria kg do sensor, componentes de realimentação Rf e Cf, o demodulador linear, constantes de condicionamento de sinal, a frequência de medição f e a tensão de entrada Vi. Portanto, a tensão medida Vo representa efetivamente a permissividade desconhecida do meio.
5 Resultados
O sistema desenvolvido foi primeiramente testado em relação ao tempo de resposta, exatidão nas medidas de capacitância e profundidade de penetração de campo. Depois, um experimento inicial de solidificação de parafina foi realizado.
A. Tempo de resposta
Para verificar o tempo de resposta do sistema desenvolvido (Fig. 5), uma frequência de excitação de 5 MHz modulada por uma onda quadrada de 500 Hz a partir de um gerador de sinal (Agilent 33250) foi injetada no sistema. Em resposta a essa excitação, obteve-se o tempo de 570 µs, que dá uma frequência aproximada de 1,75 kHz o que é considerado rápido, levando em conta o propósito do sistema.
Figura 5. Resposta do sistema ao degrau mostrando a tensão de excitação,
tensão da saída e trigger.
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B. Medida de capacitância estática
Incialmente, os experimentos foram conduzidos para analisar a resposta para diferentes faixas de capacitância. Para esse propósito, um experimento usando 10 capacitores comerciais foi realizado. Eles foram divididos em dois grupos diferentes, devido à necessidade de ajuste de faixa de operação do hardware. Como pode ser observado na figura 6, a resposta do sistema apresenta um comportamento linear para os dois grupos, mostrando que pode identificar diferentes valores de capacitância.
Figura 6. Capacitâncias medidas usando capacitores comerciais separados
em dois grupos (1 pF – 10 pF e 15 pF – 47 pF).
C. Profundidade de penetração de campo
A fim de avaliar experimentalmente o limite detectável do campo de penetração, o seguinte experimento foi realizado. Quantidades crescentes de álcool etílico foram colocadas dentro da caixa de acrílico circundando o sensor capacitivo interdigital, o que resultou em um aumento da espessura do filme líquido sobre o sensor. A tensão de saída foi monitorada. O mesmo experimento foi repetido, onde a capacitância do sensor foi monitorada por uma ponte RLC de precisão (Agilent E4980A). Além disso, o comportamento do experimento foi simulado numericamente usando o método de elementos finitos (FEM) no software COMSOL. A figura 7 ilustra os resultados com valores normalizados dos três experimentos, mostrando uma boa concordância entre eles, validando o sistema de medição desenvolvido.
Figura 7. Saída normalizada como função do filme líquido medido no
experimento de levantamento da profundidade de penetração de
campo.
D. Teste de solidificação de parafina
Para esse experimento, foi preparada uma mistura com 70% de parafina e 30% de óleo de silicone. A mistura foi aquecida a uma temperatura de 70 ºC e despejada dentro da cuba acrílica. A resposta do sistema foi analisada durante o processo natural de resfriamento (25 ºC) até a completa solidificação. A figura 8 mostra fotos do processo total de solidificação durante aproximadamente uma hora.
Figura 8. Processo de solidificação da parafina.
A figura 9 ilustra a tensão de saída do sistema normalizada para o experimento. Nota-se que a tensão de resposta do circuito aumenta conforme a parafina se solidifica e o depósito começa a se formar na parte inferior da cuba. Ao se aproximar do fim do experimento a tensão atinge um platô quando o processo de solidificação é completado.
Com este experimento, foi possível observar a capacidade do sistema desenvolvido em monitorar o processo de deposição em condições controladas.
Figura 9. Resposta do sistema para a solidificação da parafina ao longo do tempo.
6 Conclusão
Um novo sistema de medição baseado em medidas de capacitância em uma estrutura sensora interdigital foi desenvolvido, implementado e testado. Com base nos resultados a técnica de medição proposta tem potencial para ser aplicada no processo de monitoramento da deposição de
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parafina em oleodutos. Além disso, o sistema de medição se destaca diante das outras técnicas devido ao seu baixo custo associado e natureza não intrusiva. Testes mostram a capacidade de detectar pequenas variações de capacitância, nas quais seria possível aplicar o sistema em estudos de possíveis soluções, prevenções e técnicas corretivas em ambiente controlado. A técnica foi validada apresentando boa exatidão baseada em medidas de referência e ainda apresentou uma rápida resposta. Os resultados promissores incentivam o seguimento do trabalho, podendo envolver melhorias referentes à geometria do sensor e testes com capacidade de investigação em meios reais de operação. Pequenas alterações na construção do sensor são necessárias para adaptá-lo à parede interna de tubulações. Para tanto são considerados placas de circuito impresso flexíveis baseadas no substrato de Kapton.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás – PRH-ANP/MCT – e do Programa de Formação de Recursos Humanos da PETROBRAS - PRH10-UTFPR.
Referências Bibliográficas
Aiyejina, A. et al., 2011. Wax formation in oil pipelines: A
critical review. International Journal of Multiphase
Flow, Vol.37, No. 7; pp.671–694.
Banki, R., Hoteit, H. & Firoozabadi, A., 2008. Mathematical
formulation and numerical modeling of wax
deposition in pipelines from enthalpy–porosity
approach and irreversible thermodynamics.
International Journal of Heat and Mass Transfer,
Vol.51, No. 13-14; pp.3387–3398.
Bomba, J., 1986. Offshore pipeline transport of waxy crude
oils. In Proceedings of Offshore South East Asia
Show. Society of Petroleum Engineers.
Coto, B. et al., 2008. A new method for the determination of
wax precipitation from non-diluted crude oils by
fractional precipitation. Fuel, Vol.87, No. 10-11;
pp.2090–2094.
Edalati, K. et al., 2006. The use of radiography for thickness
measurement and corrosion monitoring in pipes Int. J.
Press. Vessels Pip.
Escobar-Remolina, J.C.M., 2006. Prediction of
characteristics of wax precipitation in synthetic
mixtures and fluids of petroleum: A new model. Fluid
Phase Equilibria, Vol.240,No.2; pp.197–203.
Gentili, D.O., 2004. Avaliação de Aditivos Poliméricos à
Base de Éster Fosfórico como Modificadores da
Cristalização de Parafina. Tese de D.Sc., IMA/UFRJ.
Gudmundsson, J. S. et al., 2001 Detection and monitoring of
deposits in multiphase flow pipelines using pressure
pulse technology 12th Int. Oil Field Chemistry Symp.
(Geilo, Norway).
Guo, X. et al., 2006. Effect of Cooling Rate on
Crystallization of Model Waxy Oils with
Microcrystalline Poly ( ethylene butene ). Energy &
Fuels, Vol.20,No.10; pp.250–256.
Hamouda, A.A. & Davidsen, S., 1995. An Approach for
Simulation of Paraffin Deposition in Pipelines as a
Function of Flow Characteristics With a Reference to
Teesside Oil Pipeline. In Proceedings of SPE
International Symposium on Oilfield Chemistry.
Society of Petroleum Engineers.
Jennings, D.W. et al., 2006. Effect of Shear on the
Performance of Paraffin Inhibitors : Coldfinger
Investigation with Gulf of Mexico Crude Oils. Energy
& Fuels, v. 20, pp. 2457 – 2464.
Li, X.B. et al., 2006. Design Principles for Multicuhannel
Fringing Electric Field Sensors. IEEE Sensors, Vol.6,
No.2; pp.434–440.
Machado, A.L.C., Lucas, E.F. & González, G., 2001. Poly (
ethylene-co-vinyl acetate ) ( EVA ) as wax inhibitor of
a Brazilian crude oil : oil viscosity , pour point and
phase behavior of organic solutions. Journal of
Petroleum Science and Engineering, v.32, pp. 159 –
165.
Mamishev, A. V.; Sundara-Rajan, K.; Yang, R.; Du, Y.;
Zahn, M. In Proceedings of the IEEE; IEEE:
Piscataway, NJ, 2004; Vol. 92, No. 5, p 809.
Silva, M. J. Da, Schleicher, E. & Hampel, U., 2007.
Capacitance wire-mesh sensor for fast measurement
of phase fraction distributions. Measurement Science
and Technology, Vol.18,No.7; pp.2245–2251.
Tinsley, J.F. & Prud’homme, R.K., 2010. Deposition
apparatus to study the effects of polymers and
asphaltenes upon wax deposition. Journal of
Petroleum Science and Engineering, Vol.72,No. 1-2,
pp.166–174.
Zaman, M., Agha, K. & Islam, M., 2006. Laser Based
Detection of Paraffin in Crude Oil Samples:
Numerical and Experimental Study. Petroleum
Science and Technology, Vol.24,No.1; pp.7–22.
Zaman, M. et al., 2004. Detection of precipitation in
pipelines Petrol. Sci. Technol.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
395
