Técnicas para a medição das frações dos componentes bifásicos

Entre as técnicas de obtenção de fração de vazio, os sensores de impedância estão entre as de mais fácil aplicabilidade e as mais versáteis. Além de possuírem baixo custo e alta velocidade, estes sensores possuem variada configuração geométrica, tendo forma de haste, tela (wire-mesh) ou anel e podendo ser intrusivos ou não intrusivos (Flora, 2011). Diversos parâmetros apresentam variações que atuam diretamente nas variáveis do escoamento, fazendo com que o tratamento do

26

sinal seja mais do que uma simples questão de compensação de offset e linearização. Para um sensor de impedância, uma variação de tensão pode ser interpretado tanto como um aumento no nível de líquido como de condutividade do líquido.

Variáveis como a temperatura ou a densidade também podem influenciar as medições dos equipamentos. Esses parâmetros também alteram a condutividade do líquido, resultando em uma mudança nos valores adquiridos pelo o sensor. A condutividade também pode ser alterada pela presença de eletrólitos no líquido. Desta forma, uma variação na impedância do conjunto gás líquido pode ser interpretado tanto como uma variação na área de cada fase, como uma variação na concentração de sais ou até mesmo uma variação na temperatura, sendo necessário, portanto o controle destas variáveis e a calibração dos sensores de impedância para que estes funcionem corretamente.

Ahmed (2006) realizou testes em escoamentos bifásicos ar-óleo para a calibração de sensores de impedância. Vários parâmetros como a área, diâmetro e comprimento dos tubos foram avaliados no trabalho. Os testes foram realizados com escoamento monofásico de óleo (α = 0) e de ar (α = 1) e a variação das saídas foi verificada. Uma vez que as diferentes fases tinham também impedâncias diferentes e ambas sendo fundamentalmente capacitivas, a fração de vazio pode ser relacionada com uma capacitância normalizada (C) proporcional ás medidas máxima e mínima obtidas pelo sensor.

Em um sistema envolvendo água e ar, a impedância do líquido em questão possui uma parte real muito alta, resultando em uma alta condutância. Desta forma, para efeitos de calibração do instrumento propõe uma normalização da condutância do líquido. Para tanto é necessário conhecer tanto o valor de tensão mensurada quando o tubo estiver completamente cheio como o valor de tensão medido para o tubo vazio. A diferença entre estas duas variáveis resulta no “range” do sensor, variável que apresentará proporcionalidade ao complemento da fração de vazio do escoamento Holdup(H), variável esta que também se entende de 0 a 1 e denominado e representa o nível de líquido no pistão.

Além do sensor em haste, outro sensor de impedância intrusivo é conhecido wire-mesh, um sensor em forma de tela possuindo hastes verticais e horizontais se cruzando ao longo da seção

27

transversal do duto. Entretanto, os sensores tipo Wire-mesh criam muito atrito na parte interna do duto influenciando algumas variáveis do escoamento. Wangjiraniran et. Al. (2003) destacou que este sensor possui grandes efeitos na alteração das velocidades das fases, reduzindo a velocidade de bolhas grandes em 40-50% apesar de que no caso de um escoamento vertical a velocidade original seria recuperada posteriormente ao longo do duto por ação das forças gravitacionais.

Entre as vantagens da utilização de um sensor wire-mesh destaca-se a melhor precisão na medida fração de vazio além de realizar uma tomografia a seção de área onde o sensor esta presente. Outras técnicas para a obtenção da tomografia da seção de área pode ser considerada tais como microondas, radiação e ultrassom. Uma das vantagens de técnicas de tomografia por uso de radiação ionizante é o fato de que a sensibilidade da medição para o parâmetro medido é uniforme e independente da distribuição de componentes. Isso facilita a obtenção de imagens de alta qualidade. Estas técnicas foram inicialmente desenvolvidas para a medicina onde são chamadas raios-X(Hammer et. AL. 2006).

Outra propriedade interessante é que um feixe de fótons com energia suficientemente alta, ou seja, um raio gama, será capaz de penetrar, por exemplo, um tubo de aço. O sistema de imagem pode então ser fixado em um lado externo do duto tornando-se um método de medição não intrusivo.

Os scanners atuais de raio X utilizam uma fonte rotativa de raios gama e um conjunto circular de detectores. Este conceito também é usado para geração de imagens de processos industriais, onde as constantes de tempo do processo são muito longas em comparação com o tempo de digitalização. A montagem da imagem dos processos industriais e sua dinâmica implica em uma troca entre três requisitos conflitantes: a resolução de medição de tempo, espaço e matéria Hammer et al.(2006).

No caso da utilização de mais de uma fonte de raios gama, é possível também realizar medições de frações volumétricas em sistemas trifásicos. Em Li et. al. (2005) a obtenção da fração volumétrica de um sistema trifásico água-óleo-gás foi estudada com a denominada inspeção radial nuclear utilizando técnicas de raios gama de dupla energia. O sistema de raios gama de dupla energia é baseado na medição dos coeficientes de atenuação dos materiais de dois

28

materiais radioativos, no caso, Césio e Amerício que possuíram respectivamente energias de emissão de 662 keV e 59.5 keV no projeto.

Figura 9: Tomografia de raios gama para uma mistura de ar-polipropileno [Hammer Johansenn et al. ,2006]

Densiometros por microondas também podem ser utilizados para a obtenção de fração de vazio. Este sensor mede a permissividade elétrica em uma mistura de dois componentes, e como no caso dos medidores de impedância, a relação entre os dois componentes pode ser determinada se a permissividade elétrica é diferente para cada componente.

Este transdutor funciona na região de gigahertz e pode no entanto ser utilizado como medidor de quantidade de água e óleo em uma mistura líquida. A desvantagem deste transdutor, em comparação com o transdutor de capacitância, é a dependência da condutividade da água em ambos os componentes água e óleo em misturas líquidas.

Além de microondas, e sensores de impedância, o ultrassom também pode ser utilizado a fim de realizar uma tomografia. Dyakowski(1996) destacou que a aplicação de tomografia de ultrassom para componentes bifásicos pode ser utilizada desde a industria nuclear e química até a industria alimentícia. Existem vários tipos de interações de ondas acústicas que viajam através de uma fase contínua e encontram fases dispersas. Quando uma onda acústica encontra um obstáculo (bolha de partículas, ou gota), algumas das ondas são desviadas de seu curso original. A diferença entre a onda real e a onda não perturbada, que estaria presente se os obstáculos não existissem, é chamada de dispersão. Quando uma onda plana, por exemplo, atinge um corpo em seu caminho, além da onda plana, há uma onda dispersa divergindo para fora do obstáculo em

29

todas as direções, distorcendo e interferindo com a onda plana. A interação entre uma onda acústica e uma onda obstáculo depende de dois fatores. A primeira é a razão entre o comprimento de onda e a dimensão do obstáculo e a segunda é a relação de impedâncias acústicas fase na interface das duas fases.

Através destas dispersões, é possível de maneira análoga tomografia por raios gama realizar um tomografia da seção transversal do duto, calculando posteriormente por processamento de imagens das componentes de fração de vazio e Holdup do escoamento. Outro tipo de tomografia que pode ser utilizado é a tomografia elétrica, podendo a tomografia ser feita por elementos resistivos (ERT) ou capacitivos (ERT) (Cao et. al., 2010)