Quando o óleo escapa de poços submarinos ou oleodutos em direção à superfície, a coluna ou jato irá se fragmentar em gotículas. O tamanho dessas gotículas irá influenciar na trajetória, determinando se vão chegar à superfície ou permanecer dispersas na água, como se dissolverão e a condição resultante da mancha de óleo na superfície.
A ruptura em uma fase dispersa (gotas) de um jato líquido em direção a outro líquido ainda é pouco compreendida. Apesar dos estudos de instabilidade de jatos existirem por quase 170 anos, não existem teorias geralmente aceitas, regimes, ou até mesmo uma terminologia comum (MASUTANI e ADAMS, 2001). A maioria dos esforços até a presente data tem sido voltada para estudos de jatos de líquido no ar. Embora os fenômenos de instabilidade no estado líquido-gás e líquido-
líquido sejam semelhantes, eles não são idênticos; o rompimento é afetado pelas propriedades da fase (ambiente) contínua e da condição de interface do fluido injetado que pode ser significantemente diferente nos dois sistemas.
Investigações sobre a instabilidade de escoamentos líquido- líquido são limitadas, e em grande parte restritas ao regime de fluxo laminar. Pouca informação existe sobre tamanhos de gotas produzidas pelo fluxo de transição e eventos de separação turbulenta que possam ocorrer durante um derramamento de óleo em águas profundas.
A instabilidade da emissão de um jato líquido cilíndrico em outro fluido imiscível (ou pouco miscível) pode ser causada pela tensão interfacial, efeitos gravitacionais, ou por forças hidrodinâmicas. Em muitas aplicações, incluindo derramamentos de petróleo submarino, a força gravitacional (força do corpo) é relativamente desprezível frente a tensão interfacial e as forças hidrodinâmicas. A instabilidade do jato depende principalmente de forças de superfície como: tensão interfacial, forças viscosas e forças hidrodinâmicas atuando na interface dos fluidos (do jato com o meio). Devido a essas forças, o jato se torna instável e se divide em gotas (TENG et al., 1994).
A formação de gotículas é mal compreendida devido a informações insuficientes sobre os efeitos das forças hidrodinâmicas (para jatos de alta velocidade) e da transferência de massa, bem como da influência das propriedades dos fluidos envolvidos. Para sistemas líquido-líquido, informações referentes à formação de gotículas são amplamente baseadas em observações experimentais. Como resultado, na maioria das aplicações práticas, a previsão do tamanho das gotas depende de correlações empíricas obtidas para apenas alguns sistemas (HOMMA et al., 2006).
2.3.1 Fragmentação e regimes de fluxo
A ruptura de jatos de líquidos em gotículas é conduzida por uma competição entre forças coesivas e dispersivas. Instabilidades que podem levar a deformação da superfície do jato podem ser ampliadas ou amortecidas. O modo dominante de instabilidade depende de uma série de fatores, incluindo velocidade do jato e propriedades do fluido, e se manifesta na ocorrência da desintegração do jato.
Estudos identificaram uma série de regimes de escoamento distintos onde a fragmentação aparentemente ocorre por diferentes mecanismos que alteram as características do conjunto de gotas geradas. Uma compreensão dos limites destes regimes é importante, a fim de se
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poder antecipar o tipo (ou seja, tamanho, mono ou polidispersão) de gotículas produzidas por diferentes cenários de vazamento de óleo.
A Figura 8 de Grant e Middleman apud Masutani (1999) mostra a evolução típica da altura de fragmentação de um jato líquido em um meio gasoso à medida que a velocidade de descarga aumenta. O comprimento de separação é a distância entre o orifício e o ponto onde as gotas discretas são formadas. À montante desse ponto, o jato permanece contínuo e intacto.
Figura 8 - Variação da altura do rompimento do jato com a velocidade.
Fonte: Grant e Middleman, 1996.
Em velocidades muito baixas, gotas grandes são produzidas no orifício, situação às vezes referenciada como fluxo de gotejamento. A partir do ponto C, como a velocidade é maior, há o surgimento de um jato de natureza laminar e o comprimento aumenta linearmente até atingir um máximo. Em baixas velocidades, distúrbios crescem em amplitude na superfície do jato no plano axissimétrico, levando eventualmente a um estrangulamento da coluna para gerar um fluxo
essencialmente de gotas monodispersas de cerca de duas vezes o diâmetro do jato inicial. As forças de tensão superficial são dominantes ao longo dessa faixa (HOMMA, et al., 2006).
A Figura 9 de Kitamura e Takahashi apud Masutani e Adams (2001) apresenta alturas de fragmentação medidas e tamanhos de gotas de um sistema líquido-líquido (água injetada em tetracloreto de carbono). A figura também contém esboços do aparecimento do jato em velocidades diferentes.
Figura 9 - Comprimento da ruptura do jato e tamanho de gota como funções da velocidade de um jato líquido (água) lançado em tetracloreto de carbono líquido.
Fonte: Kitamura e Takahashi, 1986.
A forma da curva em geral se assemelha à figura anterior, no entanto, a não uniformidade no tamanho das gotas (indicado pela altura das barras em torno dos dados de diâmetro das gotas) aparece muito
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mais cedo e pode ser muito mais pronunciada do que na maioria dos sistemas líquido-gás. Com o aumento da velocidade de injeção, há um decréscimo no tamanho das gotas formadas após o ponto de fragmentação. Com base no modo bastante desordenado de separação, Kitamura e Takahashi (1986) propuseram que o processo designado como jato turbulento corresponde à velocidade que excede o valor correspondente à máxima altura do jato, e nessa fase o tamanho das gotas tem uma variação desordenada. O diâmetro do orifício foi de 0,118 cm.
Estudos realizados por Masutani e Adams (2001) ilustram através da Figura 10 a progressão no modo de ruptura do jato de petróleo em meio subaquático. Nesse caso, a velocidade de injeção foi aumentada, enquanto que as outras condições foram mantidas constantes.
Figura 10 - Experimentos de injeção de petróleo com aumento gradativo das velocidades de injeção em meio subaquático. Tamanho do orifício de 2 milímetros e temperatura da água de 18°C.
Fonte: Masutani e Adams, 2001.
A baixas velocidades é produzida uma monodispersão de gotas próximo ao bocal de injeção, com diâmetro maior que a saída do bocal. Com o aumento da velocidade o ponto de fragmentação se distancia do bocal de injeção e a coluna de óleo adquire uma instabilidade sinuosa gerando uma polidispersão de gotas relativamente grandes. A altas
velocidades a superfície do jato torna-se instável e se desintegra perto do bocal em gotas pequenas.
Como consequência da ruptura do jato, o chamado fluxo de gotejamento poderá formar emulsões em situações de confinamento. Na indústria do petróleo existem diversos estudos que tratam de processos de separação, tratamento e transporte de óleo envolvendo a formação de emulsões.