Estudo numérico de escoamento turbulento em padrão anular gás-líquido em dutos verticais

Multiphase flows in ducts can adopt several morphologies depending on the mass fluxes and the fluids properties. Annular flow is one of the most frequently encountered flow patterns in industrial applications. For gas liquid systems, it consists of a liquid film flowing adjacent to the wall and a gas core flowing in the center of the duct. This work presents a numerical study of this flow pattern in gas liquid systems in vertical ducts. For this, a solution algorithm was developed and implemented in FORTRAN 90 to numerically solve the governing transport equations. The mass and momentum conservation equations are solved simultaneously from the wall to the center of the duct, using the Finite Volumes Technique. Momentum conservation in the gas liquid interface is enforced using an equivalent effective viscosity, which also allows for the solution of both velocity fields in a single system of equations. In this way, the velocity distributions across the gas core and the liquid film are obtained iteratively, together with the global pressure gradient and the liquid film thickness. Convergence criteria are based upon satisfaction of mass balance within the liquid film and the gas core. For system closure, two different approaches are presented for the calculation of the radial turbulent viscosity distribution within the liquid film and the gas core. The first one combines a k- Ɛ one-equation model and a low Reynolds k-Ɛ model. The second one uses a low Reynolds k- Ɛ model to compute the eddy viscosity profile from the center of the duct right to the wall. Appropriate interfacial values for k e Ɛ are proposed, based on concepts and ideas previously used, with success, in stratified gas liquid flow. The proposed approaches are compared with an algebraic model found in the literature, specifically devised for annular gas liquid flow, using available experimental results. This also serves as a validation of the solution algorithm

Controle de sistema não linear de separação gás/líquido sob ação de efeitos transientes fluídicos por sliding control

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.

Desenvolvimento de uma Metodologia para a Seletividade cinética aplicada ao processo de hidroconversão do petróleo, ocorrendo em reator gás-líquido

Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia de seletividade cinética, para os pseudocomponentes do petróleo em escoamento gás-liquido em colunas de bolhas usando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). Uma geometria cilíndrica de 2,5m de altura e 0,162m de diâmetro foi usada tanto na validação fluidodinâmica com base em dados experimentais da literatura, como na análise cinética do reator operando em dois modos distintos em relação a fase líquida: batelada e contínuo. Todos os casos de estudo operam em regime heterogêneo de escoamento, com velocidade superficial do gás igual a 8 cm/s e diâmetro médio de bolhas de 6 mm. O modelo fluidodinâmico validado apresentou boa concordância com os dados experimentais, sendo empregado como base para a implementação do modelo cinético de rede de Krishna e Saxena (1989). A análise da hidroconversão foi realizada a 371ºC, e os resultados mostraram o comportamento esperado para o processo reativo estudado, definindo-se os tempos (batelada) e posições axiais (contínuo) de coleta ideal para os pseudocomponentes leves. Em síntese, ressaltase o uso da ferramenta CFD no entendimento, desenvolvimento e otimização de processos.

Estudo experimental do escoamento bifásico líquido gás em golfadas com leve mudança de direção

Gas-liquid two-phase flow is very common in industrial applications, especially in the oil and gas, chemical, and nuclear industries. As operating conditions change such as the flow rates of the phases, the pipe diameter and physical properties of the fluids, different configurations called flow patterns take place. In the case of oil production, the most frequent pattern found is slug flow, in which continuous liquid plugs (liquid slugs) and gas-dominated regions (elongated bubbles) alternate. Offshore scenarios where the pipe lies onto the seabed with slight changes of direction are extremely common. With those scenarios and issues in mind, this work presents an experimental study of two-phase gas-liquid slug flows in a duct with a slight change of direction, represented by a horizontal section followed by a downward sloping pipe stretch. The experiments were carried out at NUEM (Núcleo de Escoamentos Multifásicos UTFPR). The flow initiated and developed under controlled conditions and their characteristic parameters were measured with resistive sensors installed at four pipe sections. Two high-speed cameras were also used. With the measured results, it was evaluated the influence of a slight direction change on the slug flow structures and on the transition between slug flow and stratified flow in the downward section.

Um sistema para estimação da vazão de gás de poços produzindo por Plunger Lift para vaso separador de teste em plataformas de petróleo

This work intends to analyze the behavior of the gas flow of plunger lift wells producing to well testing separators in offshore production platforms to aim a technical procedure to estimate the gas flow during the slug production period. The motivation for this work appeared from the expectation of some wells equipped with plunger lift method by PETROBRAS in Ubarana sea field located at Rio Grande do Norte State coast where the produced fluids measurement is made in well testing separators at the platform. The oil artificial lift method called plunger lift is used when the available energy of the reservoir is not high enough to overcome all the necessary load losses to lift the oil from the bottom of the well to the surface continuously. This method consists, basically, in one free piston acting as a mechanical interface between the formation gas and the produced liquids, greatly increasing the well s lifting efficiency. A pneumatic control valve is mounted at the flow line to control the cycles. When this valve opens, the plunger starts to move from the bottom to the surface of the well lifting all the oil and gas that are above it until to reach the well test separator where the fluids are measured. The well test separator is used to measure all the volumes produced by the well during a certain period of time called production test. In most cases, the separators are designed to measure stabilized flow, in other words, reasonably constant flow by the use of level and pressure electronic controllers (PLC) and by assumption of a steady pressure inside the separator. With plunger lift wells the liquid and gas flow at the surface are cyclical and unstable what causes the appearance of slugs inside the separator, mainly in the gas phase, because introduce significant errors in the measurement system (e.g.: overrange error). The flow gas analysis proposed in this work is based on two mathematical models used together: i) a plunger lift well model proposed by Baruzzi [1] with later modifications made by Bolonhini [2] to built a plunger lift simulator; ii) a two-phase separator model (gas + liquid) based from a three-phase separator model (gas + oil + water) proposed by Nunes [3]. Based on the models above and with field data collected from the well test separator of PUB-02 platform (Ubarana sea field) it was possible to demonstrate that the output gas flow of the separator can be estimate, with a reasonable precision, from the control signal of the Pressure Control Valve (PCV). Several models of the System Identification Toolbox from MATLAB® were analyzed to evaluate which one better fit to the data collected from the field. For validation of the models, it was used the AIC criterion, as well as a variant of the cross validation criterion. The ARX model performance was the best one to fit to the data and, this way, we decided to evaluate a recursive algorithm (RARX) also with real time data. The results were quite promising that indicating the viability to estimate the output gas flow rate from a plunger lift well producing to a well test separator, with the built-in information of the control signal to the PCV

Gas liquid equilibria at high pressures

Este trabalho tem como objectivo a medição da solubilidade de gases em líquidos a altas pressões. Para a realização experimental foi usada uma célula de altas pressões de volume variável e um método de observação directa para a detecção das transições de fase. As condições usadas neste trabalho experimental foram temperaturas entre 276.00 e 373.15 K e pressões ate 100 MPa. Numa primeira fase foram efectuadas medições de solubilidade de metano em anilina pura e para uma solução aquosa de composição mássica igual a 5% em anilina. A anilina é fundamentalmente usada em processos como a produção de borracha, de poliuretanos, pigmentos e tintas, fármacos, herbicidas e fungicidas. É usualmente produzida através de processos de redução do nitrobenzeno por reacção com o HCl. De facto, esta síntese é um processo químico complexo onde um grande número de processos compete entre si. Alterações nas condições do processo com a possível formação de produtos intermediários podem afectar a eficiência do processo. Para a sua melhoria foi sugerido que o hidrogénio usado fosse simultaneamente produzido e gasto no reactor principal. Neste caso e para a produção do mesmo, era necessário adicionar metano e água ao reactor. Tendo por base a ideia de que as reacções onde o hidrogénio é reagente e produto ocorrem em simultâneo, torna-se clara a importância do estudo da solubilidade do metano em anilina pura e em soluções aquosas desta. Numa segunda fase foi estudada a solubilidade do dióxido de carbono em soluções aquosas de tri-iso-butil(metil)fosfónio tosilato, com composições molares são de 4, 8 e 12% em líquido iónico. Este pertencente à família dos fosfónios. Possui uma viscosidade e densidade elevadas, é térmica e quimicamente estável e ainda possui uma elevada polaridade. Apresenta uma miscibilidade completa em água e nos solventes mais usuais, como o diclorometano e tolueno, não sendo no entanto míscivel em hexano. O tri-isobutil( metil)fosfónium tosilato é usado como solvente nos processos de hidroformilação de olefinas e ainda em processos de captura e conversão de dióxido de carbono. Neste trabalho experimental, a temperatura e a pressão foram inicialmente aumentadas até o sistema atingir o equilíbrio. A pressão é diminuída lentamente até se verificar o aparecimento/desaparecimento da última bolha de gás. A pressão à qual a última bolha de gás desaparece representa a pressão de equilíbrio para aquela temperatura. Este procedimento foi efectuado para vários sistemas e várias temperaturas.

Líquidos iônicos em catálise bifásica: hidroformilação de alfa-olefinas superiores

O uso estratégico de sistemas bifásicos para preservação das vantagens da catálise homogênea tem se mostrado uma alternativa tecnológica interessante, já que se aliam altas atividades e seletividades, com a possibilidade de recuperação/re-utilização do sistema catalítico. O sistema catalítico Rh(acac)(CO)2/Sulfoxantphos imobilizado no líquido iônico hidrofóbico 1-n-butil-3-metilimidazólio (BMI.PF6) promove a reação de hidroformilação de olefinas pesadas com seletividades em aldeídos superiores a 98%. A regiosseletividade deste sistema é fortemente dependente da natureza do líquido iônico e da fase móvel envolvidos na reação. Estudos sobre transferência de massa gás/líquido também foram realizados e demonstraram que CO é mais solúvel do que H2 no BMI.PF6, na ordem de duas vezes mais, nas condições reacionais utilizadas. A formação do complexo de catalítico em BMI.PF6 foi monitorada por infravermelho (HPIR) e ressonância magnética nuclear (HPNMR) in situ. As mesmas espécies catalíticas ee e ea-(difosfina)Rh(CO)2H observadas em solventes orgânicos foram formadas no BMI.PF6. O uso de HPIR sob condições de hidroformilação mostrou que o equilíbrio dinâmico ee:ea segue um comportamento semelhante ao observado em meio homogêneo onde solventes orgânicos clássicos, como o tolueno, são utilizados.

Modelagem da cinética de polimerização em lama de eteno

A modelagem matemática é uma ferramenta que apresenta diversas vantagens no estudo de processos industriais como, por exemplo, entender e desenvolver tecnologias, avaliar o impacto de variáveis nas propriedades do produto, estudos de redução de custos de produção e de impacto ambiental. O objetivo deste trabalho é desenvolver e validar um modelo matemático para um reator de bancada de polimerização em lama de eteno, enfatizando o desenvolvimento do modelo cinético. O modelo do reator contemplou: 1) modelo de troca térmica; 2) modelo termodinâmico; 3) modelo de transferência de massa gás-líquido e 4)modelo cinético. Para uma melhor predição do modelo foi realizada a estimação de alguns dos seus parâmetros conforme uma metodologia que compreendeu a análise de sensibilidade paramétrica e das variáveis de entrada do modelo e os efeitos de um planejamento de experimentos para a geração dos dados experimentais. A metodologia utilizada mostrou-se eficiente na avaliação do modelo quanto as suas características de predição, ajudando na identificação de possíveis falhas e evidenciando as vantagens de uma adequada metodologia experimental. Uma etapa determinante para o processo de estimação dos parâmetros é a escolha dos dados de saída a utilizar para a estimativa de determinado parâmetro. A modelagem do reator experimental mostrou-se satisfatória em todos os aspectos do processo (troca térmica, cinética, termodinâmica e transferência de massa), pois o modelo prediz com precisão as características encontradas nos experimentos. Assim, este pode ser utilizado para avaliar o mecanismo reacional envolvido de forma a aproximar-se das reais características do processo.

Desenvolvimento da técnica LTM-BSizer para a caracterização de bolhas e a avaliação de parâmetro no processo de flotação

Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma nova técnica para determinação do tamanho médio e da distribuição de tamanho de bolhas de ar em meio aquoso. A nova técnica, denominada de LTM-BSizer, uma vez otimizada, foi aplicada na caracterização das bolhas geradas por diversos métodos utilizados tanto na flotação para tratamento de efluentes líquidos quanto na flotação de partículas minerais e, principalmente, na investigação de parâmetros operacionais e do efeito do tamanho de bolhas na flotação de partículas minerais (quartzo como modelo) finas (40-10 µm) e ultrafinas (<10 µm). A técnica LTM-BSizer é baseada no conceito da captura, ou seja, ao contrário das técnicas fotográficas até agora propostas, onde as imagens (fotos ou vídeos) das bolhas em movimento foram obtidas com visores verticais, este método obteve as imagens das bolhas estabilizadas em um visor disposto na horizontal. Entre as vantagens em relação aos métodos fotográficos existentes destacam-se a melhor qualidade das imagens e a capacidade de medir distribuições de tamanho de bolha com grande amplitude, desde microbolhas (<100 µm) até bolhas maiores (~ 1 a 3 mm). Os métodos de geração de bolhas pesquisados foram: microbolhas geradas por despressurização de água saturada com ar em um vaso saturador (processo de flotação por ar dissolvido-FAD) ou por uma bomba centrífuga multifase (novo equipamento para geração de microbolhas), injeção de mistura ar-líquido através de um constritor tipo venturi (destaque na flotação não convencional), injeção de ar em cilindro inox poroso (comumente aplicado para dispersão de gás) e bolhas geradas em uma célula de flotação por ar induzido (FAI), convencional de bancada Para todos os métodos citados, exceto o último, a distribuição de tamanho de bolha foi avaliada numa coluna em acrílico com 200 cm de altura e 72 mm de diâmetro, onde através de um ponto de amostragem parte do fluxo foi conduzida até o visor. Os resultados obtidos com esta técnica foram, para os diâmetros médios de bolha: 30 a 70 µm para FAD, 65 a 130 µm para bomba multifase, 200 a 1400 µm para venturi, 500 a 1300 µm para FAI e 500 a 1000 µm para o cilindro poroso. A influência de alguns parâmetros operacionais na formação das bolhas foi estudada em detalhe e os resultados obtidos mostraram uma boa correspondência com os valores encontrados na literatura e em outros casos, elucidaram efeitos considerados contraditórios na literatura técnica. Este trabalho demonstrou que, o tamanho médio e a distribuição de tamanho das microbolhas, não são influenciados pela pressão de saturação no intervalo de 294 a 588 kPa, mas sim pela quantidade de bolhas e pelo tempo de retenção Também foi constatado que a diminuição da tensão superficial da água (adição de 30 mg/L de oleato de sódio) aumenta consideravelmente (3 a 8 vezes) o número de microbolhas na FAD a baixas pressões de saturação (196 e 294 kPa). O tamanho e a distribuição de tamanho de bolhas geradas em constrições de fluxo tipo venturi variam em função dos parâmetros concentração de tensoativo, velocidade superficial de líquido (UL) e razão gás/líquido (Qr). Uma pequena diminuição da tensão superficial, de 73 para 68 mN/m, provocada pela adição de 20 mg/L do tensoativo DF 250, foi suficiente para diminuir consideravelmente o tamanho das bolhas geradas, permanecendo constante para concentrações maiores, sugerindo que esta seja a concentração crítica de coalescência (CCC) para este sistema. Um aumento de UL (mantendo Qr constante) e diminuição de Qr (com UL constante) levaram a distribuições com menor amplitude e diâmetro médio. No caso das microbolhas geradas através da bomba multifase, o tamanho de bolhas diminuiu com a pressão até atingir o limite de solubilidade teórico ar/líquido. O tamanho das bolhas gerados através de placa porosa e FAI apresentaram boa correspondência com os reportados na literatura e em ambas as técnicas foi, de novo, encontrada, para DF 250, a mesma CCC igual a 20 mg/L. O sistema de flotação de partículas finas e ultrafinas, foi estudado via recuperação de finos de quartzo (50% < 10µm) em coluna de laboratório. As variáveis estudadas foram; a distribuição de tamanho de bolhas e a concentração de coletor (amina). Os resultados obtidos mostraram que a recuperação das frações mais finas aumenta com a diminuição do tamanho de bolhas de acordo com os modelos existentes de flotação. Entretanto, foi encontrado, na captura de partículas ultrafinas pelas bolhas, um valor ótimo de tamanho de partícula. Assim, a captura diminui com o tamanho de partícula até 5-7 µm e aumenta, de novo, nas frações menores. Esses resultados são discutidos em termos de um mecanismo de difusão como fenômeno predominante nos mecanismos de adesão bolha-partícula.

Utilização intracoágulo de espuma fibrinolítica - preparação, caracterização e atividade in vitro de uma espuma de estreptoquinase e proposta de uma nova abordagem terapêutica

Foam was developed as a novel vehicle for streptokinase with the purpose of increasing the contact time and area between the fibrinolytic and the target thrombus, which would lead to a greater therapeutic efficacy at lower doses, decreasing the drug s potential to cause bleeding. Fibrinolytic foams were prepared using CO2 and human albumin (at different v:v ratios), as the gas and liquid phases, respectively, and streptokinase at a low total dose (100,000 IU) was used as fibrinolytic agent conveyed in 1 mL of foam and in isotonic saline solution. The foams were characterized as foam stability and apparent viscosity. The thrombolytic effect of the streptokinase foam was determined in vitro as thrombus lysis and the results were compared to those of a fibrinolytic solution (prepared using the same dose of streptokinase) and foam without the fibrinolytic. In vitro tests were conducted using fresh clots were weighed and placed in test tubes kept at 37 ° C. All the samples were injected intrathrombus using a multiperforated catheter. The results showed that both foam stability and apparent viscosity increased with the increase in the CO2:albumin solution ratio and therefore, the ratio of 3:1 was used for the incorporation of streptokinase. The results of thrombus lysis showed that the streptokinase foam presented the highest thrombolytic activity (44.78 ± 9.97%) when compared to those of the streptokinase solution (32.07 ± 3.41%) and the foam without the drug (19.2 ± 7.19%). We conclude that fibrinolytic foam showed statistically significant results regarding the enhancement of the lytic activity of streptokinase compared to the effect of the prepared saline solution, thus it can be a promising alternative in the treatment of thrombosis. However, in vivo studies are needed in order to corroborate the results obtained in vitro

Simulador computacional do comportamento em regime de poços de petróleo equipados com gas-lift contínuo

Amongst the results of the AutPoc Project - Automation of Wells, established between UFRN and Petrobras with the support of the CNPq, FINEP, CTPETRO, FUNPEC, was developed a simulator for equipped wells of oil with the method of rise for continuous gas-lift. The gas-lift is a method of rise sufficiently used in production offshore (sea production), and its basic concept is to inject gas in the deep one of the producing well of oil transform it less dense in order to facilitate its displacement since the reservoir until the surface. Based in the use of tables and equations that condense the biggest number of information on characteristics of the reservoir, the well and the valves of gas injection, it is allowed, through successive interpolations, to simulate representative curves of the physical behavior of the existing characteristic variable. With a simulator that approaches a computer of real the physical conditions of an oil well is possible to analyze peculiar behaviors with very bigger speeds, since the constants of time of the system in question well are raised e, moreover, to optimize costs with assays in field. The simulator presents great versatility, with prominance the analysis of the influence of parameters, as the static pressure, relation gas-liquid, pressure in the head of the well, BSW (Relation Basic Sediments and Water) in curves of request in deep of the well and the attainment of the curve of performance of the well where it can be simulated rules of control and otimization. In moving the rules of control, the simulator allows the use in two ways of simulation: the application of the control saw software simulated enclosed in the proper simulator, as well as the use of external controllers. This implies that the simulator can be used as tool of validation of control algorithms. Through the potentialities above cited, of course one another powerful application for the simulator appears: the didactic use of the tool. It will be possible to use it in formation courses and recycling of engineers

Simulação do escoamento multifásico no interior de bombas de cavidades progressivas metálicas

The progressing cavity pumping (PCP) is one of the most applied oil lift methods nowadays in oil extraction due to its ability to pump heavy and high gas fraction flows. The computational modeling of PCPs appears as a tool to help experiments with the pump and therefore, obtain precisely the pump operational variables, contributing to pump s project and field operation otimization in the respectively situation. A computational model for multiphase flow inside a metallic stator PCP which consider the relative motion between rotor and stator was developed in the present work. In such model, the gas-liquid bubbly flow pattern was considered, which is a very common situation in practice. The Eulerian-Eulerian approach, considering the homogeneous and inhomogeneous models, was employed and gas was treated taking into account an ideal gas state. The effects of the different gas volume fractions in pump volumetric eficiency, pressure distribution, power, slippage flow rate and volumetric flow rate were analyzed. The results shown that the developed model is capable of reproducing pump dynamic behaviour under the multiphase flow conditions early performed in experimental works

Utilização de uma coluna de flotação para remoção de compostos orgânicos da água de produção

Innovative technologies using surfactant materials have applicability in several industrial fields, including petroleum and gas areas. This study seeks to investigate the use of a surfactant derived from coconut oil (SCO saponified coconut oil) in the recovery process of organic compounds that are present in oily effluents from petroleum industry. For this end, experiments were accomplished in a column of small dimension objectifying to verify the influence of the surfactant SCO in the efficiency of oil removal. This way, they were prepared emulsions with amount it fastens of oil (50, 100, 200 and 400 ppm), being determined the great concentrations of surfactant for each one of them. Some rehearsals were still accomplished with produced water of the industry of the petroleum to compare the result with the one of the emulsions. According to the experiments, it was verified that an increase of the surfactant concentration does not implicate in a greater oil removal. The separation process use gaseous bubbles formed when a gas stream pass a liquid column, when low surfactant concentrations are used, it occurs the coalescence of the dispersed oil droplets and their transport to the top of the column, forming a new continuous phase. Such surfactants lead to a gas-liquid interface saturation, depending on the used surfactant concentration, affecting the flotation process and influencing in the removal capacity of the oily dispersed phase. A porous plate filter, with pore size varying from 40 to 250 mm, was placed at the base of the column to allow a hydrodynamic stable operation. During the experimental procedures, the operating volume of phase liquid was held constant and the rate of air flow varied in each experiment. The resulting experimental of the study hydrodynamic demonstrated what the capturing of the oil was influenced by diameter of the bubbles and air flow. With the increase flow of 300 about to 900 cm3.min-1, occurred an increase in the removal of oil phase of 44% about to 66% and the removal kinetic of oil was defined as a reaction of 1° order

Utilização de uma coluna de flotação para remoção de compostos orgânicos da água de produção

Innovative technologies using surfactant materials have applicability in several industrial fields, including petroleum and gas areas. This study seeks to investigate the use of a surfactant derived from coconut oil (SCO saponified coconut oil) in the recovery process of organic compounds that are present in oily effluents from petroleum industry. For this end, experiments were accomplished in a column of small dimension objectifying to verify the influence of the surfactant SCO in the efficiency of oil removal. This way, they were prepared emulsions with amount it fastens of oil (50, 100, 200 and 400 ppm), being determined the great concentrations of surfactant for each one of them. Some rehearsals were still accomplished with produced water of the industry of the petroleum to compare the result with the one of the emulsions. According to the experiments, it was verified that an increase of the surfactant concentration does not implicate in a greater oil removal. The separation process use gaseous bubbles formed when a gas stream pass a liquid column, when low surfactant concentrations are used, it occurs the coalescence of the dispersed oil droplets and their transport to the top of the column, forming a new continuous phase. Such surfactants lead to a gas-liquid interface saturation, depending on the used surfactant concentration, affecting the flotation process and influencing in the removal capacity of the oily dispersed phase. A porous plate filter, with pore size varying from 40 to 250 mm, was placed at the base of the column to allow a hydrodynamic stable operation. During the experimental procedures, the operating volume of phase liquid was held constant and the rate of air flow varied in each experiment. The resulting experimental of the study hydrodynamic demonstrated what the capturing of the oil was influenced by diameter of the bubbles and air flow. With the increase flow of 300 about to 900 cm3.min-1, occurred an increase in the removal of oil phase of 44% about to 66% and the removal kinetic of oil was defined as a reaction of 1° order.

Caracterização química, energética, aromática e sensorial de vinhos de mesa de uvas americanas

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA