Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29616

Type: Tese
Title: Acoplamento reativo-hidrodinâmico na dissolução de incrustações de sulfato de bário: desenvolvimento de sistema dinâmico em escoamento
Author(s)/Inventor(s): Silva, Gabriel Nunes Nogueira e
Advisor: Silva, João Francisco Cajaiba da
Abstract: A dissolução de incrustações minerais em sistemas industriais é tradicionalmente avaliada por ensaios em batelada, nos quais o sólido é imerso em uma solução dissolvente e a remoção é monitorada ao longo do tempo por análises ex situ, com quantificação periódica da concentração dissolvida ou da massa residual. Nessa abordagem, os resultados costumam ser expressos como eficiência final de remoção ou percentual de dissolução após determinado tempo de contato, métricas que, embora úteis para comparação preliminar de formulações, pouco capturam a complexidade do acoplamento entre fenômenos químicos e hidrodinâmicos presentes sob condições reais de escoamento. Neste trabalho, desenvolveu-se uma metodologia inédita para o estudo da dissolução de sulfato de bário (BaSO4) em regime de escoamento. O arranjo experimental é constituído por uma coluna preenchida com uma estrutura de esferas de aço 316 entremeada de BaSO4, que age como um leito empacotado reativo que simula uma obstrução sólida. A passagem controlada de uma solução dissolvente (DTPA ou EDTA) através desse leito promove a dissolução progressiva do sólido, enquanto a estrutura da obstrução evolui ao longo do experimento. Esse processo é monitorado de forma integrada por técnicas in situ, incluindo espectroscopia no infravermelho para quantificação da espécie dissolvida e análise hidrodinâmica baseada na medição contínua da pressão diferencial e na estimativa da permeabilidade do leito. Essa configuração permite obter perfis temporais de concentração, taxas instantâneas de dissolução e a evolução hidrodinâmica do sistema ao longo do processo. A metodologia permitiu identificar regimes distintos de comportamento, associados à dissolução distribuída do leito e à formação de caminhos preferenciais de escoamento, evidenciando o papel determinante da hidrodinâmica na eficiência global do processo. Observou-se que, em temperaturas mais elevadas, embora a complexação seja favorecida, a formação mais rápida de caminhos preferenciais de escoamento reduz o contato efetivo entre solução e sólido, limitando a progressão da remoção de BaSO4. Em temperaturas mais baixas, por outro lado, a canalização ocorre de forma mais lenta, promovendo uma permeação mais homogênea do dissolvente no leito. Esse comportamento hidrodinâmico compensa a menor eficiência química intrínseca e pode conduzir a valores de dissolução total equivalentes aos obtidos sob condições termicamente mais favoráveis. Esses resultados evidenciam que configurações de dissolução que atingem dissolução total equivalente podem apresentar distribuições espaciais e dinâmicas de dissolução significativamente distintas, refletidas nas medidas hidrodinâmicas e cinéticas obtidas em regime de escoamento contínuo. Adicionalmente, foi proposto um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos capaz de descrever quantitativamente o acoplamento entre dissolução química e evolução da permeabilidade, incorporando efeitos associados à formação de caminhos preferenciais a uma métrica de eficiência de dissolvente. A metodologia foi validada segundo critérios de desempenho metrológico amplamente adotados, demonstrando sua repetibilidade, sensibilidade e aplicabilidade. Os resultados obtidos estabelecem uma abordagem mais realista e discriminatória para a avaliação e seleção de dissolventes em regime de escoamento contínuo, aproximando as condições laboratoriais de cenários reais de remoção de incrustações.
Abstract: The dissolution of mineral scale in industrial systems is traditionally evaluated through batch experiments, in which the solid is immersed in a dissolving solution and removal is monitored over time by ex situ analyses, with periodic quantification of the dissolved concentration or residual mass. In this approach, results are typically expressed as final removal efficiency or percentage dissolution after a given contact time. Although useful for preliminary comparison of formulations, such metrics fail to capture the complexity of the coupling between chemical and hydrodynamic phenomena under realistic flow conditions. In this work, a novel methodology was developed for investigating the dissolution of barium sulfate (BaSO4) under flow conditions. The experimental arrangement consists of a column filled with a structure of 316 stainless steel spheres interspersed with BaSO4, forming a reactive packed bed that simulates a solid obstruction. The controlled injection of a dissolving solution (DTPA or EDTA) through this bed promotes progressive dissolution of the solid while the obstruction structure evolves throughout the experiment. This process is monitored in an integrated manner using in situ techniques, including infrared spectroscopy for quantification of the dissolved species and hydrodynamic analysis based on continuous differential pressure measurements and estimation of bed permeability. This configuration enables the acquisition of temporal concentration profiles, instantaneous dissolution rates, and the hydrodynamic evolution of the system over time. The methodology allowed the identification of distinct behavioral regimes associated with distributed bed dissolution and the formation of preferential flow paths, highlighting the determining role of hydrodynamics in overall dissolution efficiency. It was observed that, at higher temperatures, although complexation is thermodynamically favored, the more rapid formation of preferential flow paths reduces effective solution-solid contact, limiting the progression of BaSO4 removal. At lower temperatures, in contrast, channeling develops more slowly, promoting more homogeneous permeation of the dissolving solution through the bed. This hydrodynamic behavior compensates for the intrinsically lower chemical efficiency and may result in total dissolution values comparable to those obtained under more thermodynamically favorable conditions. These results demonstrate that dissolution configurations achieving equivalent total dissolution may exhibit significantly different spatial and dynamic dissolution distributions, as reflected in the hydrodynamic and kinetic measurements obtained under continuous flow conditions. Additionally, a phenomenological model based on physical principles was proposed to quantitatively describe the coupling between chemical dissolution and permeability evolution, incorporating the effects of preferential flow path formation into a dissolving efficiency metric. The methodology was validated according to widely adopted metrological performance criteria, demonstrating its repeatability, sensitivity, and applicability. The results establish a more realistic and discriminating approach for the evaluation and selection of dissolving agents under continuous flow conditions, bridging laboratory-scale experimentation and real-world scale removal scenarios.
Keywords: Dissolução em escoamento contínuo
Sulfato de bário
Incrustações minerais
EDTA (Ácido etilenodiaminotetracético)
DTPA (Ácido dietilenotriaminopentaacético)
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Química
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 2026
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Embargado
Citation: SILVA, Gabriel Nunes Nogueira e. Acoplamento reativo-hidrodinâmico na dissolução de incrustações de sulfato de bário: desenvolvimento de sistema dinâmico em escoamento, 2026. Tese (Doutorado em Química) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2026.
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