Sistema de medição do efeito Joule-Thomson para fluidos pressurizados puros

Abstract

Resumo: Nas rotinas da indústria química e de petróleo diversos fluidos são transportados diariamente para atender os mais diversos fins. Nestas condições de transporte e exploração, os fluidos podendo ser puros ou constituídos por misturas, apresentam elevadas pressões que ao experimentarem qualquer restrição, sendo estas intrínsecas em muitos dos casos a instrumentações necessárias as operações como válvulas, bocais e dutos confinados, promovem o efeito de variação de temperatura ao fluido, conhecido como efeito Joule-Thomson. A avaliação da natureza deste efeito por meio da inferência dos coeficientes Joule-Thomson, a partir de variáveis de estado como pressão e temperatura, apresenta uma grande importância para condições técnicas reais de escolha e dimensionamento técnico que podem minimizar os efeitos indesejados nas rotinas operacionais, decorrentes dos diferentes perfis térmicos das espécies fluidas durante a expansão. Neste contexto, estudos voltados para a construção de sistemas de medição experimental de dados, visando a avaliação do efeito Joule-Thomson para diversos fluidos pressurizados apresenta um vasto campo de contribuição técnico-científica, dada a grande importância prática para condições reais da indústria, e pelos escassos bancos de dados experimentais disponíveis até a atualidade. Neste presente trabalho, utilizou-se do processo de aquisição online de dados de pressão e temperatura, em duas concepções distintas de aparatos experimentais desenvolvidos: a primeira utilizando modelos de válvulas como elemento de restrição para avaliação da expansão do CO2 ultrapuro em condições exploratórias, e uma segunda concepção experimental mais robusta, utilizando um modelo de dispositivo adiabático dotado de tubo capilar de alta resistência térmica e mecânica de diâmetro interno de 215 ?m como elemento de restrição ao escoamento de CO2, CH4 e N2, em diferentes faixas de pressão e temperatura a montante, não apresentadas até então, em trabalhos da literatura científica e inventiva. A concordância observada entre os valores medidos experimentalmente em faixas avaliativas de expansão do nitrogênio de 54,35 a 151,38 bar e 40°C (313,15 K) e, os observados em simulações via simulações numéricas CFD, revelaram que a concepção de sistema de medição pode atender a avaliação do efeito Joule-Thomson de fluidos pressurizados puros, bem como, em inferência de outras quantidades termodinâmicas, entalpia e capacidade calorífica a pressão constante.

Abstract: In the routines of the chemical industry, various oils are transported daily to meet the most diverse needs. In these conditions of transport and exploration, the fluids can be pure or constituted by any elevation conditions, presenting that when they experience restrictions, being these intrinsic many of the operations in instruments presented as alterations, nozzles and confined ducts, promoting the mixture of temperature phenomenon to the fluid, known as the Joule-Thomson effect. The evaluation of the nature of this effect through the inference of the Joule-Thomson coefficients, from state variables such as pressure and temperature, is of great importance for real technical conditions of choice and technical design that can minimize the undesired effects on operational routines, arising from the different thermal profiles of the fluid species during the expansion. In this context, studies aimed at the construction of experimental data measurement systems, aiming at the evaluation of the Joule-Thomson effect for several pressurized fluids, presents a vast field of technical-scientific contribution, given the great practical importance for real industry conditions, and due to the few experimental databases available to date. In this present work, the process of online acquisition of pressure and temperature data was used, in two different conceptions of experimental apparatus developed: the first using valve models as a restriction element to evaluate the expansion of ultrapure CO2 under exploratory conditions, and a second, more robust experimental design, using an adiabatic device model equipped with a capillary tube of high thermal and mechanical resistance with an internal diameter of 215 ?m as an element to restrict the flow of CO2, CH4 and N2, in different pressure and temperature ranges at amount, not presented until then, in works of the scientific and inventive literature. The agreement observed between the values measured experimentally in evaluative ranges of nitrogen expansion from 54,35 to 151,38 bar and 40°C (313,15 K) and those observed in simulations via numerical CFD simulations, revealed that the design of measurement system can meet the assessment of the Joule-Thomson effect of pure pressurized fluids, as well as, in inference from other thermodynamic quantities, enthalpy and heat capacity at constant pressure.