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Estudio CFD para la determinaci�n de los perfiles de temperatura en el transporte de crudo pesado

 

CFD study for the determination of temperature profiles in the transportation of heavy crude oil

 

Estudo CFD para determina��o de perfis de temperatura no transporte de petr�leo bruto pesado

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: omar.cabrera@unach.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 05 de enero de 2024 *Aceptado: 22 de enero de 2024 * Publicado: �25 de febrero de 2024

 

       I.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

     II.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

   III.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

  IV.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

 

Resumen

La investigaci�n aborda el estudio de bombeo superficial de crudo pesado, espec�ficamente de un crudo con gravedad API de 16.8, bajo las condiciones atmosf�ricas particulares del oriente ecuatoriano. El principal objetivo del estudio es determinar los perfiles de temperatura del crudo en un tramo de 70 metros de tuber�a SCH-80, con 4 pulgadas de di�metro, utilizado para el transporte de crudo extrapesado. Para lograr este objetivo, se emple� la simulaci�n por din�mica de fluidos computacional (CFD), una herramienta clave para predecir el comportamiento t�rmico del crudo en interacci�n con el ambiente. A trav�s de esta metodolog�a, se busca entender c�mo el crudo extrapesado pierde temperatura. Esto con el objetivo de poder determinar cu�les van a ser las p�rdidas de temperatura en tramos de tuber�a mayores. Con estos datos, se podr�an realizar investigaciones futuras para evaluar tecnolog�as de calefacci�n potenciales que faciliten el transporte del crudo pesado. Este enfoque abrir�a la puerta a la exploraci�n de soluciones innovadoras destinadas a mejorar la eficiencia y la efectividad en la manipulaci�n del crudo pesado, abordando as� uno de los desaf�os principales en su transporte: la gesti�n de su alta viscosidad.

Palabras Clave: Crudo pesado; CFD; simulaci�n.

 

Abstract

The research addresses the study of surface pumping of heavy crude oil, specifically crude oil with an API gravity of 16.8, under the particular atmospheric conditions of eastern Ecuador. The main objective of the study is to determine the temperature profiles of the crude oil in a 70-meter section of SCH-80 pipe, with 4 inches in diameter, used for the transportation of extra-heavy crude oil. To achieve this objective, computational fluid dynamics (CFD) simulation was used, a key tool to predict the thermal behavior of crude oil in interaction with the environment. Through this methodology, we seek to understand how extra-heavy crude oil loses temperature. This is with the objective of being able to determine what the temperature losses will be in larger pipe sections. With this data, future research could be conducted to evaluate potential heating technologies that facilitate the transportation of heavy crude oil. This approach would open the door to the exploration of innovative solutions aimed at improving the efficiency and effectiveness in the handling of heavy crude oil, thus addressing one of the main challenges in its transportation: the management of its high viscosity.

Keywords: Heavy oil; CFDs; simulation.

Resumo

A pesquisa aborda o estudo do bombeamento superficial de petr�leo bruto pesado, especificamente petr�leo bruto com densidade API de 16,8, sob as condi��es atmosf�ricas espec�ficas do leste do Equador. O objetivo principal do estudo � determinar os perfis de temperatura do petr�leo bruto em um trecho de 70 metros de tubo SCH-80, com 4 polegadas de di�metro, utilizado para o transporte de petr�leo bruto extrapesado. Para atingir este objetivo, foi utilizada a simula��o computacional de din�mica de fluidos (CFD), uma ferramenta fundamental para prever o comportamento t�rmico do petr�leo bruto em intera��o com o meio ambiente. Atrav�s desta metodologia, procuramos compreender como o petr�leo bruto extrapesado perde temperatura. Isto tem o objetivo de poder determinar quais ser�o as perdas de temperatura em se��es maiores de tubos. Com estes dados, pesquisas futuras poder�o ser conduzidas para avaliar potenciais tecnologias de aquecimento que facilitam o transporte de petr�leo bruto pesado. Esta abordagem abriria portas � explora��o de solu��es inovadoras que visassem melhorar a efici�ncia e efic�cia no manuseamento de crude pesado, respondendo assim a um dos principais desafios do seu transporte: a gest�o da sua elevada viscosidade.

Palavras-chave: �leo pesado; CFDs; simula��o.

 

Introducci�n

El crudo pesado es un crudo de alta densidad y viscosidad, este tipo de crudo se encuentra en la parte inferior del espectro de clasificaci�n de los petr�leos, de acuerdo con la medida API [1]. La explotaci�n y transporte de crudo pesado constituyen desaf�os significativos para la industria petrolera, especialmente en regiones con condiciones ambientales �nicas, como el oriente ecuatoriano. El crudo extrapesado, requiere de tecnolog�as especializadas para su manejo eficiente, siendo la p�rdida de temperatura durante su transporte uno de los principales obst�culos a superar [2]. La viscosidad del crudo, directamente relacionada con su temperatura, influye significativamente en la eficacia y el coste del bombeo a trav�s de las tuber�as [3].

Cazorla et al [4] investigaron el impacto en la producci�n y el factor de recobro en yacimientos de crudo extrapesado mediante la aplicaci�n de ondas electromagn�ticas en pozos horizontales. El objetivo principal fue estudiar c�mo el calentamiento electromagn�tico puede contribuir a aumentar la producci�n de hidrocarburos viscosos, espec�ficamente en la Faja Petrol�fera del Orinoco en Venezuela. Se realizo una simulaci�n num�rica para analizar el comportamiento del yacimiento y la eficacia de esta tecnolog�a en la reducci�n de la viscosidad del crudo, lo que podr�a llevar a mejoras significativas en la extracci�n de estos recursos.

Tolentino et al [5] implementaron una novedosa tecnolog�a de calentamiento de yacimientos petrol�feros mediante c�psulas de reacci�n nuclear. Se llev� a cabo una simulaci�n t�rmica en estado estacionario de un yacimiento petrol�fero similar a Cerro Negro, utilizando el software COMSOL Multiphysics con el M�todo de Elementos Finitos. Se dise�� una c�psula de reacci�n nuclear con dimensiones espec�ficas para calentar el medio poroso, y se distribuyeron 11 c�psulas en el yacimiento para mejorar la extracci�n de crudo pesado y extra pesado, demostrando as� la viabilidad y eficacia de esta innovadora tecnolog�a.

Ram�rez et al [3] llevaron a cabo la predicci�n de perfiles de temperatura y viscosidad en pozos productores de petr�leo pesado implementando un calentador de inducci�n en el fondo del pozo. El estudio se centra en el impacto del calentamiento el�ctrico en la viscosidad del petr�leo pesado, con el objetivo de mejorar la movilidad del crudo y la eficiencia del pozo. Se desarrolla un modelo CFD para simular el comportamiento t�rmico y de viscosidad del petr�leo pesado en el pozo, demostrando una disminuci�n significativa de la viscosidad din�mica del crudo con el calentamiento el�ctrico. Los resultados validan la efectividad del calentamiento por inducci�n en la reducci�n de la viscosidad del petr�leo pesado, lo que puede tener implicaciones importantes para la producci�n de petr�leo en pozos de crudo pesado.

Ante este panorama, el presente estudio se centra en la simulaci�n del bombeo superficial de crudo pesado con una gravedad API de 16.8, con las condiciones atmosf�ricas espec�ficas del oriente ecuatoriano. Mediante el uso de CFD, esta investigaci�n busca analizar la p�rdida de temperatura en un tramo de tuber�a de 70 metros, adem�s de determinar cu�l es el coeficiente convectivo con el que pierde el calor el fluido, sabiendo que el mecanismo principal por el que pierde la temperatura el crudo pesado es por convecci�n con el medio ambiente.

Esta introducci�n al problema y al enfoque metodol�gico adoptado sienta las bases para una discusi�n m�s amplia sobre las soluciones potenciales y las implicaciones pr�cticas de los hallazgos, con el fin �ltimo de avanzar hacia un manejo m�s eficiente y econ�micamente viable del crudo extrapesado.

[1]     II. Materiales y m�todos

 

La simulaci�n CFD es ampliamente utilizada en la industria debido a sus m�ltiples ventajas, entre las que destacan los bajos costes en comparaci�n con la t�cnica experimental� y la posibilidad de simular fen�menos f�sicos complicados, la simulaci�n CFD debe validarse experimentalmente para confirmar que la configuraci�n de los modelos y par�metros son los adecuados para el caso de estudio [6], CFD se ha utilizado ampliamente en el estudio de procesos en los existe transferencia de masa y calor en el aire [7],[8].

El modelo utilizado en la simulaci�n tiene las mismas dimensiones que la tuber�a en la realidad, en la Figura 1, se puede observar el modelo utilizado en la simulaci�n, para facilidad en la simulaci�n se ha trabajado con un modelo 2D, las propiedades de la tuber�a como del crudo extrapesado se puede observar en la Tabla 1 y Tabla 2, respectivamente.

 

Figura1. Modelo utilizado en la simulaci�n

 

Tabla 1. Propiedades t�rmicas de la tuber�a

 

Tabla 2. Propiedades t�rmicas del crudo pesado

 

Para el mallado se utilizan elementos Tetrahedrons tal como se lo puede ver en la Figura 2, para medir la calidad de la malla se utiliza la m�trica Orthogonal Quality, en la simulaci�n se utilizaron 5200 elementos, este es el n�mero �ptimo de elementos ya que, a partir de este n�mero, en la Figura 3, se puede ver que la variable analizada temperatura se estabiliza.

 

Figura 2. Modelo mallado

 

Figura 3. Tama�o de malla �ptimo

 

Los fen�menos analizados en la simulaci�n CFD son expresados con f�rmulas matem�ticas que usualmente son ecuaciones en derivadas parciales, para el an�lisis del bombeo superficial del crudo extrapesado se utilizan las ecuaciones de Navier-Stockes, que describen el movimiento del fluido, consider�ndole al fluido como �incompresible se tiene la ecuaci�n de continuidad (1) y ecuaci�n de momento (2)

 

(1)

(2)

 

donde �es densidad del fluido, �es el campo de velocidad, p es presi�n, � es la viscosidad din�mica del fluido y �son las fuerzas externas.

Para modelar la transferencia de calor del fluido que circula dentro de la tuber�a con el ambiente, considerando el fluido como incompresible y sin reacciones qu�micas se tiene la ecuaci�n (3).

 

 

donde �es el calor espec�fico a presi�n constante, T es la temperatura, k es a conductividad t�rmica, �representa la generaci�n de calor por disipaci�n viscosa y S_T es un t�rmino fuente adicional que puede incluir efectos como la transferencia de calor por radiaci�n o fuentes de calor internas o externas.

El algoritmo que se utiliza para la simulaci�n num�rica de las ecuaciones es el SIMPLE [9], para la discretizaci�n espacial de la presi�n el m�todo utilizado es el PRESTO [10], el flujo de crudo extrapesado que circula por la tuber�a se considera laminar ya que el n�mero de Reynolds es menor a 2000, la ecuaci�n utilizada es la (4).

 

 

donde V es velocidad y D es el di�metro de la tuber�a.

Dada la exposici�n de la tuber�a al ambiente, resulta imperativo efectuar la determinaci�n del coeficiente de transferencia de calor por convecci�n. Para este fin, se recurre al n�mero de Nusselt, una magnitud adimensional que cuantifica el transporte de calor por convecci�n. La correlaci�n entre el n�mero de Nusselt y el coeficiente convectivo se establece a trav�s de la ecuaci�n (5):

 

Donde Nu es el n�mero de Nusselt, h es el coeficiente de transferencia de calor por convecci�n, L es la longitud de la tuber�a y k es la conductividad t�rmica de la tuber�a.

Las condiciones de frontera utilizadas son las siguientes:

Entrada: el fluido ingresa a una velocidad de 1.19 m/s, esto debido a que el pozo analizado tiene una producci�n de 3625 barriles y el di�metro interior de la tuber�a utilizada es de 0.0848 m, la temperatura a la que ingresa es de 171 F, este dato fue tomado en el campo.

Salida: para facilidad en la simulaci�n y considerando que el objetivo es calcular la temperatura del fluido a la salida, esta se considera que est� expuesta a la presi�n atmosf�rica.

Exterior de la tuber�a: el exterior de la tuber�a se encuentra expuesto a una temperatura ambiente de 70.2 F.

[2]     III. RESULTADOS

 

Para la corroboraci�n de la precisi�n y fiabilidad de las simulaciones de din�mica de fluidos computacional (CFD), se procedi� a la comparaci�n de los resultados simulados con datos obtenidos experimentalmente. Espec�ficamente, se utiliz� la temperatura de salida registrada experimentalmente, la cual fue de 161 �F, y la predicci�n de temperatura de salida obtenida a trav�s de la simulaci�n CFD, que fue de 159.40 �F. La discrepancia entre estos valores se cuantific� utilizando el Error Porcentual Absoluto Medio (MAPE, por sus siglas en ingl�s), resultando en un valor de 0.993%.

 

Este indicador de error se sit�a considerablemente por debajo del umbral del 2%, establecido como criterio para la aceptaci�n de simulaciones en este contexto. La presencia de un MAPE inferior al 2% indica una alta correlaci�n entre los resultados simulados y los experimentales, lo que demuestra una adecuada precisi�n de la simulaci�n CFD para representar las din�micas t�rmicas del sistema bajo estudio. Este nivel de exactitud subraya la idoneidad de la metodolog�a de simulaci�n empleada para la predicci�n de par�metros cr�ticos en procesos de transporte de fluidos, reafirmando su valor como herramienta confiable para la planificaci�n, dise�o, y optimizaci�n en ingenier�a de procesos[11], [12].

En la Figura 4, se puede observar los residuales que son una herramienta crucial utilizada para evaluar la convergencia de las simulaciones num�ricas, los residuales son b�sicamente la diferencia entre los valores calculados y los esperados de las variables de flujo, en este caso se trabaja con un convergence absolute criteria de 1e-06.

Figura 4. Curvas de residuales de la simulaci�n

 

En la Figura 5, se puede observar la curva de temperatura promedio a la salida de la tuber�a, se puede observar que la temperatura a la que converge la simulaci�n es de 159.40 F, misma que se encuentra en la iteraci�n 477.

Figura 5. Temperatura a la salida de la tuber�a

 

En la Figura 6, se puede observar el perfil de temperaturas a la entrada de la tuber�a, que es donde la temperatura es m�xima para esta simulaci�n.

 

Figura 6. Perfil de temperatura a la entrada de la tuber�a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En la Figura 7, se puede observar el perfil de temperaturas a la salida de la tuber�a.

 

Figura 7. Perfil de temperatura a la salida de la tuber�a.

[3]     IV. DISCUSI�N

A partir de la integraci�n y an�lisis de los datos adquiridos tanto de experimentos en condiciones controladas como de simulaciones computacionales, se evidencia una notable disminuci�n t�rmica a lo largo del conducto de transporte de crudo, espec�ficamente, una reducci�n de temperatura desde 171 �F en el punto de inicio hasta 159.07 �F en el extremo final del segmento evaluado de 70 metros. Este fen�meno de disminuci�n t�rmica puede atribuirse primordialmente a la interacci�n t�rmica con el medio ambiente circundante, el cual registra una temperatura de 70.2 �F.

 

Este comportamiento t�rmico observado sugiere una transferencia de calor significativa entre el fluido transportado y el entorno, mediada por la infraestructura de la tuber�a. Dicha transferencia es indicativa de las complejas din�micas de intercambio t�rmico que ocurren en sistemas de transporte de fluidos, especialmente cuando estos se encuentran expuestos a diferencias sustanciales de temperatura ambiental. La comprensi�n detallada de estos procesos es vital para el desarrollo de estrategias de aislamiento y mantenimiento t�rmico que busquen minimizar las p�rdidas energ�ticas y optimizar la viscosidad del crudo pesado, asegurando as� un flujo eficiente y estable a trav�s de la infraestructura de transporte.

 

Adem�s, los resultados subrayan la importancia de considerar las condiciones ambientales externas en el dise�o y la operaci�n de sistemas de tuber�as para crudos pesados. Las implicaciones de estos hallazgos son amplias, abarcando desde el dise�o ingenieril hasta la implementaci�n de tecnolog�as avanzadas para la gesti�n t�rmica, lo cual es crucial para mejorar la eficiencia energ�tica y operativa en el transporte de hidrocarburos.

[4]     V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La implementaci�n de t�cnicas avanzadas de din�mica de fluidos computacional (CFD) facilit� la cuantificaci�n precisa de las variaciones t�rmicas a lo largo de un tramo de tuber�a de 70 metros utilizado en el transporte de crudo pesado. Este riguroso an�lisis permiti� elucidar con gran detalle los perfiles de temperatura y las complejas interacciones t�rmicas subyacentes, elementos cruciales para la optimizaci�n de los procedimientos de transporte y la preservaci�n de la integridad operativa del sistema. Los hallazgos adquiridos proporcionan insights fundamentales para el dise�o y refinamiento de estrategias de mantenimiento t�rmico, aportando de manera significativa a la eficacia y seguridad en la gesti�n del traslado de crudo extrapesado.

Estos resultados constituyen un pilar fundamental para futuras investigaciones enfocadas en el desarrollo de tecnolog�as de calentamiento para crudo extrapesado, buscando mantener su viscosidad dentro de rangos que optimicen la eficiencia del transporte. Este enfoque promete no solo mejorar la viabilidad t�cnica del proceso de transporte sino tambi�n incrementar la sostenibilidad operacional a trav�s de la implementaci�n de soluciones innovadoras para el manejo de crudos de alta viscosidad.

 

Referencias

[1]������ J. G. Speight, �Chapter 1-occurrence and formation of crude oil and natural gas,� Subsea and Deepwater Oil and Gas Science and Technology, pp. 1�43, 2015.

[2]������ C. Zou, �Heavy oil and bitumen,� Unconventional petroleum geology, pp. 345�370, 2017.

[3]������ J. Ram�rez, A. Zambrano, and N. Ratkovich, �Prediction of Temperature and Viscosity Profiles in Heavy-Oil Producer Wells Implementing a Downhole Induction Heater,� Processes, vol. 11, no. 2, 2023, doi: 10.3390/pr11020631.

[4]������ Cazorla and J. J., �Evaluaci�n de la producci�n y el factor de recobro en yacimientos de crudo extra pesado a trav�s de la aplicaci�n de ondas electromagn�ticas en pozos horizontales,� Sep. 2013, Accessed: Feb. 18, 2024. [Online]. Available: http://saber.ucv.ve/handle/10872/4261

[5]������ S. L. Tolentino, S. Caraballo, �. Duarte, and J. Mendoza, �Calentamiento de yacimientos petrol�feros mediante c�psulas de reacci�n nuclear,� Universidad, Ciencia y Tecnolog�a, vol. 20, no. 79, pp. 58�68, 2016, Accessed: Feb. 18, 2024. [Online]. Available: http://ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1316-48212016000200001&lng=es&nrm=iso&tlng=es

[6]������ Q. Tu, Z. Ma, and H. Wang, �Investigation of wet particle drying process in a fluidized bed dryer by CFD simulation and experimental measurement,� Chemical Engineering Journal, vol. 452, p. 139200, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139200.

[7]������ E. Getahun, M. A. Delele, N. Gabbiye, S. W. Fanta, P. Demissie, and M. Vanierschot, �Importance of integrated CFD and product quality modeling of solar dryers for fruits and vegetables: A review,� Solar Energy, vol. 220, pp. 88�110, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.03.049.

[8]������ P. D. Tegenaw, M. G. Gebrehiwot, and M. Vanierschot, �On the comparison between computational fluid dynamics (CFD) and lumped capacitance modeling for the simulation of transient heat transfer in solar dryers,� Solar Energy, vol. 184, pp. 417�425, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.024.

[9]������ A. Benhamza, A. Boubekri, A. Atia, T. Hadibi, and M. Arıcı, �Drying uniformity analysis of an indirect solar dryer based on computational fluid dynamics and image processing,� Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 47, p. 101466, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101466.

[10]���� ANSYS, Ansys Fluent Theory Guide, 2023 R1. Canonsburg, 2023.

[11]���� F. Hussain, M. Jaskulski, M. Piatkowski, and E. Tsotsas, �CFD simulation of agglomeration and coalescence in spray dryer,� Chem Eng Sci, vol. 247, p. 117064, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117064.

[12]���� J. Cabrera-Escobar, D. Vera, F. Jurado, and R. Cabrera-Escobar, �CFD investigation of the behavior of a solar dryer for the dehydration of olive pomace,� Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 46, no. 1, pp. 902�917, Dec. 2024, doi: 10.1080/15567036.2023.2292242.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).