Simulação numérica da hidrodinâmica e da transferência de massa em uma gota isolada aplicada à extração de ácido ciclohexanocarboxílico da água produzida sintética

Abstract

Em 2023, o Brasil manteve sua relevância na produção de petróleo, gerando um volume significativo de água produzida (AP) como subproduto. A AP é uma mistura complexa que requer tratamento rigoroso antes do descarte, conforme as regulamentações ambientais brasileiras. Diante desse desafio, diversas tecnologias de tratamento são empregadas, com a extração líquido-líquido (ELL), destacando-se por sua versatilidade e adaptabilidade ao uso de fluidos extratores disponíveis nas próprias plataformas. Este estudo focou na simulação numérica dos processos hidrodinâmicos e de transferência de massa de ácido ciclohexanocarboxílico da água produzida sintética em um sistema de extração líquido-líquido, utilizando uma única gota de n-heptano como fluido extrator. A comparação entre os modelos fluidodinâmicos VOF (Volume of Fluid) e Euleriano Híbrido revelou que o modelo Euleriano Híbrido demonstrou maior precisão e erros significativamente menores ao comparar a velocidade terminal do simulado frente ao experimental, variando entre 0,66% e 11,23%, enquanto o modelo VOF apresentou erros superiores a 47% em malhas refinadas. Para garantir a con- fiabilidade dos resultados, o modelo Euleriano foi validado utilizando uma malha de 315.000 elementos, exibindo excelente estabilidade e precisão. Observou-se que a velocidade terminal da gota se aproximou da velocidade média, dado o curto período necessário para sua estabilização. A incorporação do coeficiente de arrasto no modelo híbrido Euleriano-VOF foi crucial para aprimorar o realismo das simulações. Para a transferência de massa, um critério de margem de erro de até 10% foi estabelecido para a determinação do valor ideal do coeficiente volumétrico kla. Essa abordagem resultou em erros inferiores a 5% em comparação com os dados experimentais, confir- mando a eficácia do método. A análise de sensibilidade e otimização do kla permitiu uma calibração precisa do modelo, resultando em uma representação mais fiel dos fenômenos de transferência de massa. Em suma, a pesquisa ratificou a eficiência do modelo Euleriano, especialmente em sua configuração híbrida, para descrever com acurácia os processos de transferência de massa em sistemas multifásicos. A meto- dologia desenvolvida contribui para o aprimoramento de tecnologias de tratamento da água produzida, com impacto relevante na sustentabilidade da indústria petrolífera.

Abstract: In 2023, Brazil maintained its relevance in oil production, generating a significant vol- ume of produced water (PW) as a byproduct. PW is a complex mixture that requires rigorous treatment before disposal, in accordance with Brazilian environmental regula- tions. In response to this challenge, various treatment technologies are employed, with liquid-liquid extraction (LLE) standing out for its versatility and adaptability to the use of extracting fluids available on offshore platforms. This study focused on the numerical simulation of the hydrodynamic and mass transfer processes of cyclohexanecarboxylic acid (CHC) from synthetic produced water in a liquid-liquid extraction system, using a single drop of n-heptane as the extracting fluid. The comparison between the VOF (Volume of Fluid) and Hybrid Eulerian multiphase models revealed that the Hybrid Eule- rian model showed higher accuracy and significantly lower errors when comparing the simulated terminal velocity with the experimental data, ranging from 0.66% to 11.23%, while the VOF model presented errors greater than 47% even with refined meshes. To ensure the reliability of the results, the Eulerian model was validated using a mesh of 315,000 elements, demonstrating excellent numerical stability and accuracy. It was observed that the terminal velocity of the drop closely matched the average velocity due to the short time required for stabilization. The incorporation of the drag coefficient into the hybrid Eulerian-VOF model was crucial for enhancing the realism of the simula- tions. For mass transfer, an error margin of up to 10% was established to determine the optimal value of the volumetric mass transfer coefficient kl a. This approach resulted in errors below 5% compared to experimental data, confirming the effectiveness of the method. The sensitivity analysis and optimization of kl a enabled precise model calibra- tion, resulting in a more accurate representation of the mass transfer phenomena. In summary, the study confirmed the efficiency of the Eulerian model, particularly in its hybrid configuration, in accurately describing mass transfer processes in multiphase systems. The developed methodology contributes to the advancement of produced water treatment technologies, with significant impact on the sustainability of the oil and gas industry.