PROJETO DE UM LOOP MULTIFÁSICO PARA ESTUDO DO PADRÃO DE ESCOAMENTO EM GOLFADAS
Henrique Silva de Andrade
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientadora: Juliana Braga Rodrigues Loureiro D.Sc.
Rio de Janeiro Setembro de 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia MecânicaDEM/POLI/UFRJ
Projeto de um Loop Multifásico para Estudo do Padrão de Escoamento em Golfadas
Henrique Silva de Andrade
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________ Profa. Juliana Braga Rodrigues Loureiro, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Atila Pantaleão Silva Freire, PhD.
________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2016
Silva de Andrade, Henrique
Projeto de um Loop Multifásico para Estudo do Padrão de Escoamento em Golfadas / Henrique Silva de Andrade. – Rio de Janeiro. UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
VI, 29p. : il. ; 29,7 cm.
Orientadora: Juliana Braga Rodrigues Loureiro
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. - 29
1. Escoamento multifásico. 2 simulação experimental. 3 escoamento pistonado. I. Braga Rodrigues Loureiro, Juliana II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Projeto de um Loop Multifásico para Estudo do Padrão de Escoamento em Golfadas.
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
PROJETO DE UM LOOP MULTIFÁSICO PARA ESTUDO DO PADRÃO DE ESCOAMENTO EM GOLFADAS EM DUTOS INCLINADOS
Henrique Silva de Andrade
Setembro/2016
Orientadora: Juliana Braga Rodrigues Loureiro
Curso: Engenharia Mecânica
Escoamentos multifásicos estão sempre presentes em diversas aplicações, em especial na indústria do petróleo, nuclear e química. O estudo deste fenômeno tem sido de grande relevância em áreas como a de garantia de escoamento, trocadores de calor, corrosão em tubulações, entre outros. O desenvolvimento de estudos experimentais na área exige a utilização de um aparato experimental robusto e bem instrumentado, que nos permita simular diferentes padrões de escoamento com confiança e repetitividade elevadas, proporcionando dados experimentais de alta qualidade. Os resultados obtidos a partir da observação experimental são de extrema relevância, pois fornecem base para a correta modelagem deste fenômeno intrinsecamente complexo, além de serem referência para a validação de simulações numéricas diversas.
Este trabalho apresenta um projeto detalhado de construção de um aparato experimental bifásico gás-liquido em circuito fechado com controle das características do padrão de bolhas gerado. Este aparato foi concebido com o propósito de simular um padrão de escoamento do tipo pistonado em um trecho de tubulação inclinada ascendente, de forma a gerar alta frequência de passagem de bolhas longas.
Palavras-chave: Escoamento multifásico, simulação experimental, escoamento pistonado.
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
DESIGN OF A TWO-PHASE FLOW LOOP FOR THE INVESTIGATION OF THE SLUG FLOW PATTERN IN INCLINED PIPES
Henrique Silva de Andrade
Setembro/2016
Advisor: Juliana Braga Rodrigues Loureiro
Course: Mechanical Engineering
Multiphase flows are typically found in different applications, especially in oil and gas, nuclear and chemical industries. The study has been of great relevance in areas such as flow assurance, heat exchangers, corrosion in pipes, among other examples. The development of experimental studies on this field requires a robust and well instrumented apparatus, where different flow conditions and two-phase flow patterns can be accurately reproduced. High quality and detailed experimental data are crucial for the development of theoretical models for the prediction of two-phase flows, as well as for the validation of numerical simulation results.
This work presents a detailed project for the design and construction of a two-phase gas-liquid flow loop with control of the characteristics of the simulated slug flow pattern. The purpose of this flow loop was to allow the investigation of slug flows in inclined ascending pipes, in a geometry that maximizes the passage frequency of gas bubbles.
Keywords: Slug flow, flow loop, experimental simulation. .
Índice
1. Introdução ... 1
1.1 Motivação e objetivo ... 1
1.2 Organização do Trabalho ... 3
2. Escoamento bifásico em tubulações ... 4
2.1 Padrões de escoamento ... 4
2.2 Escoamento em golfadas ... 6
3. Projeto do loop multifásico ... 8
3.1 Parâmetros do projeto ... 8
3.2 Dimensionamento da tubulação ... 9
3.2.1 Estimativas para a frequência de passagem de bolhas ... 9
3.2.2 Validação dos modelos experimentalmente ... 12
3.2.3 Dimensionamento final da tubulação e considerações finais ... 15
3.3 Separador gás-líquido... 15
3.3.1 Diâmetro do corpo ... 17
3.3.2 Tubo de entrada ... 17
3.3.3 Comprimento das pernas superior e inferior ... 19
3.3.4 Desenho e dimensões finais do GLCC ... 20
3.3.5 Operação do separador ... 21
3.3.6 Influência da viscosidade do fluido na performance do GLCC ... 21
3.3.7 Testes e resultados experimentais ... 21
3.4 Misturador ... 24
3.5 Instrumentação ... 26
3.5.1 Medidor de bolhas ... 26
3.5.2 Medidores de vazão de gás e de líquido ... 27
3.5.3 Medidor de temperatura ... 27
3.5.4 Medidor de pressão... 27
4. Conclusão ... 28
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 29
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Padrões de escoamento em dutos horizontais ... 4
Figura 2 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubo horizontal para diferentes diâmetros. 12,5mm (linha pontilhada) ; 25mm (linha sólida) ; 50mm (linha traço e ponto) ; 300mm (linha tracejada). Mandhane et al. (1974). .... 5
Figura 3 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubulação horizontal com diâmetro de 45,5mm Spedding e Nguyen (1980) ... 5
Figura 4 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubulação inclinada a 45° com diâmetro de 45,5mm Spedding e Nguyen (1980) ... 6
Figura 5 - Golfadas induzidas pelo terreno (Adaptado de Al-Safran) ... 7
Figura 6 - Desenho esquemático do loop multifásico ... 8
Figura 7 - Influência da vazão de gás e de liquido na frequência de bolhas (D=1,5”) ... 11
Figura 8 - Influência do diâmetro da tubulação e vazão de liquido na frequência de bolhas (Qgás=6m3/h) ... 11
Figura 9 - Esquema do experimento realizado para medição da frequência de bolhas .. 12
Figura 10 - Aparato experimental para medir frequência de bolhas em tubulação inclinada ... 13
Figura 11 - Sensor eletro-resistivo usado para medição da freqência de bolhas ... 13
Figura 12 - Sinal não tratado vindo do sensor (vazão de água de 2m3/h) ... 14
Figura 13 - Sinal tratado (vazão de água de 2m3/h) ... 14
Figura 14 - Separador gás-liquido ciclônico... 16
Figura 15 - Detalhe da geometria do tubo de entrada do GLCC ... 18
Figura 16 - Diminuição de área na entrada do GLCC construído no Núcleo Interdisciplinar de Mecânica dos Fluidos (NIDF) ... 18
Figura 17 - Dimensões do GLCC ... 20
Figura 18 – Influência da viscosidade do fluido na altura de equilíbrio do GLCC ... 21
Figura 19 - Experimento com o GLCC realizado no NIDF/UFRJ ... 22
Figura 20 - Misturador trifásico - Ujang(2006) ... 24
Figura 21 – Vistas do desenho técnico do misturador trifásico ... 25
Figura 22 - Sinal ideal de detecção de passagem de uma bolha (Ferreira 2015) ... 26
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Parâmetros do projeto ... 8
Tabela 2 - Resultados para a frequência de bolhas ... 14
Tabela 3 - Dimensionamento final do diâmetro e vazões ... 15
Tabela 4 - Resultados experimentais obtidos ... 23
1. Introdução
1.1 Motivação e objetivo
Escoamentos multifásicos estão sempre presentes em diversas aplicações, em especial na indústria do petróleo, nuclear e química. O estudo deste fenômeno tem sido de grande relevância em áreas como a de garantia de escoamento, trocadores de calor, corrosão em tubulações, entre outros. Alguns dos principais efeitos que se observa são as influências na perda de carga assim como na transferência de calor e velocidade de corrosão em tubulações.
Na indústria do petróleo, o escoamento em golfadas, ou escoamento pistonado, pode causar sérios danos a tubulações e equipamentos de separação devido ao seu caráter intermitente, que resulta em vibração e em eventual dano estrutural. Essa intermitência resulta da passagem periódica de longas bolhas de gás, seguidas por trechos de líquido aerado, chamado de pistão líquido. Em algumas aplicações industriais, o comprimento das bolhas pode atingir valores correspondentes a 100 diâmetros da tubulação, o que pode provocar falhas no funcionamento de bombas ou diminuir abruptamente a eficiência dos separadores gás-líquido.
Este conjunto de bolha longa seguida por um pistão líquido é denominado de célula unitária. Todas as propriedades estatísticas deste escoamento, como o comprimento da célula unitária, comprimento do pistão líquido, altura de filme de líquido, velocidade da bolha longa, velocidade da célula unitária e frequência de passagem de bolhas, são intrinsecamente dependentes das condições de entrada, do diâmetro e da orientação da tubulação. Por ser o escoamento bi-fásico um fenômeno complexo, não-linear e tridimensional, qualquer mudança em um destes três parâmetros resulta em fenômenos com características muito distintas, que requerem um tratamento teórico e uma descrição matemática específica para cada caso.
O desenvolvimento de estudos experimentais na área exige a utilização de um aparato experimental robusto e bem instrumentado, que nos permita simular diferentes padrões de escoamento com confiança e repetitividade elevadas, proporcionando dados refinados e de alta qualidade. Os resultados obtidos a partir da observação experimental são de extrema relevância, pois fornecem base para a correta modelagem deste fenômeno intrinsecamente complexo, além de serem referência para a validação de simulações numéricas diversas.
Este trabalho apresenta um projeto detalhado de construção de um aparato experimental bifásico gás-liquido em circuito fechado com controle das características do padrão de bolhas gerado. Este aparato foi concebido com o propósito de simular um padrão de escoamento do tipo pistonado em um trecho de tubulação inclinada ascendente, de forma a gerar alta frequência de passagem de bolhas longas.
Os modelos teóricos existentes na literatura para prever este tipo de escoamento foram deduzidos para fluidos newtonianos, em uma pequena faixa de diâmetros e condições de entrada limitadas. Os resultados fornecidos por estes modelos, e.g. queda de pressão, comprimento da bolha, comprimento do pistão líquido, dependem de um parâmetro de fechamento a ser fornecido, como a frequência de passagem de bolha ou a velocidade de translação da célula unitária; parâmetros estes que são função da inclinação da tubulação. Em muitas aplicações industriais, o escoamento pistonado se desenvolve a partir de dutos inclinados, onde por vezes pode ocorrer uma mudança de padrão de escoamento. A literatura ainda é escassa no desenvolvimento de modelos preditivos para estes casos de transição de inclinação. Em particular, muito pouco é conhecido sobre o comportamento estatístico das variáveis relevantes do problema. Um extensa caracterização experimental destes escoamentos é necessária para desenvolver a correta modelagem de escoamentos bifásicos e para validar os modelos pertinentes.
O trabalho aqui apresentado tem o objetivo de expor os parâmetros e as considerações de projeto para a montagem de uma bancada de testes de escoamento bifásico gás-liquido em tubulação horizontal e inclinada, em especial sob o padrão de escoamento em golfadas. Também está no escopo do trabalho o dimensionamento de um separador gás-líquido que permita operação em circuito fechado desta mesma bancada de testes.
Foram analisados para o projeto diversos equipamentos de caracterização, entre eles, medidores de vazão para a fase liquida e para a fase gasosa, medidores de temperatura e pressão. Além disso, foram especificados também o diâmetro da tubulação, o misturador trifásico (que permite injeção de água, óleo e gás) e o separador de fase gás-líquido, além de sensores e equipamentos para analisar as golfadas.
As montagens dos aparatos experimentais foram realizadas no Laboratório de Escoamentos Multifásicos do NIDF/UFRJ e os resultados experimentais obtidos foram usados para caracterizar o escoamento em golfadas em diferentes trechos da tubulação que, por fim, são então usados para embasar o dimensionamento dos equipamentos especificados no projeto da bancada de simulação de escoamento bifásico.
1.2 Organização do Trabalho
Após esta seção introdutória, este texto apresenta no Capítulo 2 uma breve descrição dos padrões de escoamento que podem ser obtidos em dutos horizontais e inclinados. Em um capítulo subsequente é apresentado o projeto da bancada multifásica. Este capítulo contempla a descrição do dimensionamento da tubulação e do separador gás-líquido, além do misturador e da especificação da instrumentação.
2. Escoamento bifásico em tubulações
2.1 Padrões de escoamento
O escoamento bifásico em tubulações pode se apresentar de diversas maneiras. Dependendo de parâmetros como o diâmetro da tubulação, ângulo de inclinação, propriedades dos fluidos, vazão de cada uma das fases e a até mesmo a topologia da tubulação, o escoamento pode assume um padrão diferente. Os padrões existentes podem ser agrupados nas sete categorias indicadas na Figura 1. No entanto, o número total de padrões aumenta se considerarmos todas as zonas de transição entre eles.
Figura 1 - Padrões de escoamento em dutos horizontais
No caso de escoamentos horizontais e verticais em tubulações, há um grande número de trabalhos publicados que investigam as zonas de transição entre os diferentes padrões de escoamento e propõem o chamado mapa de padrão de escoamento. Esses mapas tentam prever o padrão de escoamento baseados geralmente na velocidade superficial, vazão volumétrica ou vazão mássica de cada uma das fases. Uma grande restrição da maioria dos mapas de escoamento, no entanto, é a sua dependência das propriedades do fluido, do diâmetro e da orientação da tubulação, de maneira que a sua validade está geralmente restrita às condições do experimento utilizado para sua validação. Tentativas de criar um mapa de padrão de escoamento genérico, que pudesse ser usado para um espectro maior de diâmetros e fluidos, obtiveram resultados limitados. Abaixo estão apresentados alguns mapas mais relevantes para esse trabalho.
Figura 2 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubo horizontal para diferentes diâmetros. 12,5mm (linha pontilhada) ; 25mm (linha sólida) ; 50mm (linha traço e ponto) ; 300mm (linha tracejada). Mandhane et al. (1974).
Figura 3 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubulação horizontal com diâmetro de 45,5mm Spedding e Nguyen (1980)
A Figura 2 mostra o mapa de padrão de escoamento para tubulações horizontais adaptado do trabalho de Mandhane et al. (1974). Com base em um amplo conjunto de dados, os autores propuseram uma nova correlação para a previsão do padrão de escoamento. Em adição, os autores contabilizaram os efeitos das propriedades físicas
VELOCIDADE SUPERFICIAL DE LÍQUIDO
V E L OC IDA DE S UP E R F IC IA L DE GÀ S
dos fluidos, porém, não observaram melhoria nas previsões teóricas em decorrência disto.
Spedding e Nguyen (1980) avaliaram o efeito de diferentes inclinações da tubulação no mapa de padrão de escoamento. Foi observado um aumento considerável na região de escoamento pistonado para uma inclinação ascendente de 45° em comparação com o escoamento na horizontal (Figura 3), como é mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Mapa de padrão de escoamento para a mistura ar-água em tubulação inclinada a 45° com diâmetro de 45,5mm Spedding e Nguyen (1980)
2.2 Escoamento em golfadas
O padrão de escoamento em golfadas é o padrão mais recorrente em operações de campo na indústria do petróleo e, portanto, de grande interesse de estudo. Esse padrão é caracterizado por uma bolha de gás alongada seguida de um pistão de liquido, com ou sem pequenas bolhas dispersas, tanto em tubos horizontais quanto verticais ou inclinados. A formação destes pistões de liquido na tubulação pode ocorrer devido à instabilidade hidrodinâmica na interface (golfada hidrodinâmica) ou devido ao acúmulo local de liquido em tubulações com acidentes ou ondulações (golfadas induzidas pelo terreno), como ilustrado na Figura 5.
Figura 5 - Golfadas induzidas pelo terreno (Adaptado de Al-Safran)
O trabalho de Al-Safran (2009) investigou os parâmetros que controlam a
frequência de passagem de bolhas em escoamentos horizontais pistonados e propôs uma correlação empírica para previsão deste parâmetro. O autor estudou também a influência de parâmetros de entrada e do comprimento da tubulação na frequência de bolhas. Os resultados indicam que o padrão pistonado formado por variações no terreno, como ilustrado na Figura 5, geram frequências de passagem maiores do que quando a formação do pistão é feita por mecanismos hidrodinâmicos. A correlação proposta possui erro médio de 35%.
Van Hout, Shemer e Barnea (2003) estudaram os parâmetros estatísticos e hidrodinâmicos de um escoamento pistonado gás-líquido em tubos inclinados. Os autores mostram que o efeito de coalescência é desprezível para comprimentos de tubulação maiores que 60 diâmetros, e este resultado foi independente das vazões de entrada, do diâmetro e inclinação da tubulação. Neste trabalho foram avaliadas inclinações de 10o, 30o, 60o e 90o. A maior frequência de passagem de bolhas foi observada em 60º e o comprimento de bolhas medido foi caracterizado segundo uma distribuição log-normal.
Os dois artigos citados acima constituem referências importantes para este trabalho, uma vez que o objetivo central deste projeto reside em projetar uma bancada de escoamento multifásico com tubulação inclinada, onde elevadas frequências de passagem de bolhas possam ser geradas, seja em regime aberto ou regime fechado.
3. Projeto do loop multifásico
3.1 Parâmetros do projeto
O loop multifásico aqui projetado tem como propósito simular o padrão de escoamento em golfadas em condições próximas às encontradas em uma linha de produção de petróleo. Nessas linhas é comum o escoamento bifásico, ou até mesmo trifásico, com óleo, água e gás, tanto em trechos horizontais quanto inclinados. O estudo dos trechos inclinados de tubulação é especialmente importante pois diversos autores, como Zabaras(2000) e Altoe (2006), relatam que nessa região há um grande aumento na frequência de golfadas, parâmetro usado em vários cálculos de engenharia, como por exemplo perda de carga ou a taxa de corrosão na tubulação.
A especificação e o dimensionamento dos equipamentos e tubulação do loop foram feitos de acordo com os parâmetros de projeto da Tabela 1.
Frequência de bolhas mínima 1 Hz Angulação do trecho inclinado 45°
Temperatura ambiente
Pressão baixa (aprox. 0,3 MPa)
Tabela 1 - Parâmetros do projeto
O desenho esquemático mostrado na Figura 6 apresenta a disposição de todos os equipamentos que serão utilizados tanto para recirculação da mistura quanto para o controle das propriedades do escoamento.
Figura 6 - Desenho esquemático do loop multifásico
A seguir cada equipamento é analisado individualmente e o seu dimensionamento é detalhado.
3.2 Dimensionamento da tubulação
3.2.1 Estimativas para a frequência de passagem de bolhas
A escolha do diâmetro, vazão de liquido e de gás foi feita de maneira a satisfazer os parâmetros de projeto apresentados na Tabela 1. A fim de determinar as vazões de gás e de liquido necessárias para se atingir a frequência de bolhas especificada foram utilizados alguns estudos teóricos e experimentais como base. A seguir estão os modelos e correlações utilizados.
Heywood e Richardson (1979) – Estes autores mediram a frequência de passagem de bolha em um escoamento bifásico água-ar em tubulação horizontal com 42 mm de diâmetro. Foram adquiridos um total de 210 pontos de dados com a velocidade superficial do gás variando entre 0,2m/s e 6,0m/s (ou 1m3/h e 30m3/h) e a do liquido entre 0,25m/s e 4,3m/s (ou 1,25m3/h e 21m3/h). Os resultados experimentais deram origem a correlação abaixo. (Unidades do SI).
𝐹𝑠 = 0.0364𝑉𝑆𝐿 𝑉𝑚[ 2.02 𝐷 + 𝑣𝑚2 𝑔𝐷] 1.06 (1) onde VSL denota a velocidade superficial da fase líquida, Vm a velocidade de mistura, g a
gravidade e D o diâmetro da tubulação.
Manolis et al. (1995) – Modificou a correlação inicialmente apresentada por Gregory and Scott (1969) para incorporar as observações feitas em seu experimento. Nele utilizou uma tubulação de 78 mm com mistura água-ar para medir o comportamento da frequência de bolhas ao variar a pressão entre 1 e 14,5 bar, a velocidade superficial do ar entre 1,5m/s e 7,0m/s (ou 25m3/h e 120m3/h) e a da água entre 0,5m/s e 1,3m/s (ou 8m3/h e 22m3/h). Uma importante conclusão do autor foi não ter observado um efeito significante da pressão na frequência de bolhas.
𝐹𝑠 = 0.0037 𝑉𝐿 𝑔⋅𝐷( 𝑉𝑚,𝑚𝑖𝑛2 𝑉𝑚 + 𝑉𝑚) 1.8 (2)
Shell – Correlação feita com cinco números adimensionais utilizado os dados obtidos por Heywood e Richardson (1979).
NFrbolhas = NFrmin+ A [(NFrSL + NFrSg) 0.1 − 1.17(NFrSL) 0.064 ]2, (3) onde 𝑁𝐹𝑟𝑠𝑙𝑢𝑔 = 𝐹𝑠√𝐷𝑔 , 𝑁𝐹𝑟𝑆𝐿 = 𝑉𝑆𝐿 √𝑔⋅𝐷 , 𝑁𝐹𝑟𝑆𝑔= 𝑉𝑆𝐺 √𝑔⋅𝐷 , 𝑁𝐹𝑟𝑚𝑖𝑛 = 0.048(𝑁𝐹𝑟𝑆𝐿) 0.81 e A = 0.73(𝑁𝐹𝑟𝑆𝐿) 2.34 .
Zabaras (2000) – Propôs uma correlação baseada tanto em dados experimentais presentes na literatura quanto em dados obtidos em um experimento que conduziu onde observou a frequência de bolhas em tubulações de 1” e 4” de diâmetro e mistura água-ar. No total foram utilizados 399 pontos que cobriram diâmetros de 1” a 8” e inclinações entre 0° e 11°. A correlação proposta por Zabaras é baseada na correlação de Gregory – Scott e modificada para incluir o efeito do ângulo de inclinação. É interessante notar que apesar dos dados só terem validade entre inclinações de 0° e 11°, Zabaras observou uma tendência do aumento da frequência de bolhas com o aumento do ângulo.
𝐹𝑠 = 0.0226 [𝑉𝑆𝐿 𝑔⋅𝐷( 212.6 𝑉𝑚 + 𝑉𝑚)] 1.2 ⋅ [0.836 + 2.75 ⋅ 𝑠𝑒𝑛14𝜃] , (4)
onde ϴ denota o ângulo que a tubulação está orientada com respeito à horizontal.
Olhando os mapas de regime de escoamento apresentados na seção 2.1, juntamente com as correlações acima, foi possível começar a traçar uma estratégia para avaliar as vazões de gás e liquido necessárias para se obter uma alta frequência de passagem de bolhas (acima de 1 Hz). Primeiramente, foi definido um intervalo de interesse para as vazões baseado nos mapas de padrão de escoamento. Foram considerados para o gás uma velocidade superficial entre 0,5 m/s e 10 m/s e para o liquido entre 0,2 m/s e 2 m/s. A seguir, foram traçados os gráficos com o resultado obtido das quatro correlações para os diferentes valores de vazão de gás, de liquido e
diâmetro da tubulação, a fim de se observar a influência de cada um dos parâmetros na frequência. Estes gráficos são apresentados nas Figuras 7 e 8. Cada ponto do gráfico representa a média dos resultados dos quatro modelos e a linha de erro vertical indica o valor máximo e mínimo calculado. O intervalo de interesse para cada um dos parâmetros é: 0,7m3/h a 8m3/h para a vazão de liquido; 3m3/h a 35m3/h para a vazão de gás; 1” a 2” para o diâmetro.
Figura 7 - Influência da vazão de gás e de liquido na frequência de bolhas (D=1,5”)
Figura 8 - Influência do diâmetro da tubulação e vazão de liquido na frequência de bolhas (Qgás=6m
3
Pode se observar que, dentro da faixa estudada, há uma tendência do aumento da frequência de passagem de bolhas com a diminuição do diâmetro e com aumento da vazão de liquido. O aumento da vazão de gás causa a diminuição da frequência até um ponto a partir do qual a frequência volta a subir, o que está de acordo com os resultados encontrados na literatura.
Dentro das correlações analisadas, os dados obtidos com Heywood e Richardson (1979) e Shell ficaram acima da média enquanto Manolis (1995) e Zabaras (2000) se mantiveram em maior parte abaixo da média.
3.2.2 Validação dos modelos experimentalmente
Mesmo tendo utilizado dados de diferentes modelos teóricos para prever a frequência de bolhas na tubulação, foram realizados alguns testes para observar a resposta do sistema em condições reais de escoamento. Esses experimentos foram feitos para determinar com maior confiança as vazões de operação de maneira que o loop opere dentro dos parâmetros especificados na Tabela 1.
Nesse teste foi utilizado a mistura bifásica água e ar em uma tubulação de acrílico transparente, diâmetro da tubulação de 1,5” e trecho inclinado com ângulo de 45°. As Figuras 9 e 10 detalham a montagem do experimento.
Figura 9 - Esquema do experimento realizado para medição da frequência de bolhas
Com esse experimento é possível também observar a diferença entre a frequência de bolhas obtida no trecho horizontal e no inclinado a 45°. Pode também esclarecer a influência que o trecho inclinado tem na frequência de passagem de bolhas a montante.
As medições foram feitas com o sensor resistivo, ilustrado na Figura 11 e descrito mais detalhadamente na seção 3.5.1 desse trabalho.
Figura 10 - Aparato experimental para medir frequência de bolhas em tubulação inclinada
Figura 11 - Sensor eletro-resistivo usado para medição da freqência de bolhas
Os trechos de tubulação de 1,8m usados correspondem a aproximadamente 50 diâmetros e foi possível perceber que esse comprimento foi ligeiramente subdimensionado, já que em muitos dos testes observou-se a formação do padrão pistonado somente no final do trecho horizontal, onde não foi possível medir os dados de frequência, uma vez que o padrão se formava após o ponto da tubulação onde o sensor estava instalado. Nestes casos, apenas uma inspeção visual foi possível.
Nos testes realizados foram variadas as vazões de água entre 1 m3/h e 5 m3/h e as de gás entre 3 m3/h e 10 m3/h, sendo que sempre que foi possível observar o padrão pistonado e a frequência de bolhas ficou acima de 1Hz, como mostrado na Tabela 2. Importante notar também o aumento na frequência de bolhas no trecho inclinado ascendente, bem como a estratificação do escoamento no trecho descendente para todas as vazões testadas.
Vazão de água (m3/h) Vazão de gás (m3/h) Frequência de bolhas
(Hz) 1,1 1,9 1,1 2,0 3,0 2,2 3,0 5,3 3,6 4,0 5,8 5,0 5,0 8,1 5,5
Tabela 2 - Resultados para a frequência de bolhas
Os dados obtidos do sensor resistivo, como apresentado nas Figuras 12 e 13, foram tratados no computador com o algoritmo detalhado na seção 3.5.1 para se obter a informação de frequência de bolhas. O resultado informado é a média de três medições, utilizando um tempo de aquisição de dois minutos para cada medição e frequência de amostragem de 50Hz.
Figura 12 - Sinal não tratado vindo do sensor (vazão de água de 2m3/h)
Os resultados de frequência fornecidos através da análise do sinal foram validados utilizando uma câmera de alta velocidade de 120 quadros por segundo.
3.2.3 Dimensionamento final da tubulação e considerações finais
Foi possível verificar, tanto a partir dos resultados experimentais quanto a partir das correlações na seção 3.2.1, que com um diâmetro de 1,5” é possível atingir as frequências de passagem de bolhas acima de 1 Hz, que foram especificadas utilizando vazões razoáveis tanto de liquido quanto de gás. Na Tabela 3 baixo estão as especificações finais para a tubulação e vazões.
Diâmetro da tubulação 1,5 pol
Classe de pressão Sch40
Vazão de líquido 1 a 8 m3/h
Vazão de gás 2 a 15 m3/h
Tabela 3 - Dimensionamento final do diâmetro e vazões
3.3 Separador gás-líquido
Entre os separadores gás-liquido utilizados pela indústria do petróleo o GLCC (Gas-liquid cylindrical cyclone) destaca-se por ser simples e compacto. Consiste de um tubo vertical com uma entrada tangencial inclinada (Figura 14) e duas saídas: uma na parte superior para o gás e uma na inferior para o liquido. O princípio de funcionamento é gravitacional assim como outros tipos de separadores, a diferença no entanto está no escoamento tangencial de entrada, que gera uma força centrípeta uma ordem de magnitude maior do que a gravitacional. A combinação dessas forças aumenta o empuxo sobre o gás e aumenta a eficiência de separação em comparação com um separador gravitacional convencional.
Figura 14 - Separador gás-liquido ciclônico
Diversos estudos foram feitos a fim de otimizar o dimensionamento do GLCC. Segundo Arpandi (1996) as principais considerações de projeto para o separador são:
(1) Diâmetro do GLCC – Deve ser grande o suficiente a fim de que a velocidade ascendente do gás seja menor do que a velocidade crítica necessária para carregar para cima gotículas de liquido, diminuindo assim a quantidade de líquido carreado com o gás (liquid carry-over (LCO)). É também inversamente proporcional à força centrípeta que age no fluido, principal responsável pela separação.
(2) Diâmetro do tubo de entrada inclinado – Deve ser grande o suficiente para garantir o padrão estratificado na entrada.
(3) Área da seção transversal da entrada – Permite controlar a velocidade tangencial de entrada a fim de se obter a força centrípeta necessária para a separação, mas também evitar problemas associados à alta velocidade, como a turbulência. (4) Nível de líquido – Deve ser alto o suficiente para impedir que bolhas de gás
sejam carregadas para a saída de liquido. Deve também sempre estar abaixo do ponto de entrada para diminuir o carreamento de gás com o líquido (liquid
carry-over (LCO)).
(5) Altura de gás – O comprimento dessa seção deve permitir certa variação da vazão como é o caso no padrão pistonado.
O GLCC foi dimensionado para se obter separação completa das fases, pois como o aparato opera em circuito fechado isso é necessário para o funcionamento correto da bomba e compressor. Todas as características físicas do GLCC usado no projeto do loop são discutidas detalhadamente abaixo.
3.3.1 Diâmetro do corpo
Esse parâmetro é talvez o mais importante no dimensionamento do GLCC. Mencionado na seção anterior, há dois mecanismos que são influenciados pelo diâmetro: a velocidade ascendente do gás e a força centrípeta agindo na mistura, ambos influenciando de maneira oposta o diâmetro. Se por um lado um diâmetro menor provoca uma maior força centrípeta e, portanto, melhor separação por outro um diâmetro maior diminui a velocidade ascendente do gás e, portanto, também diminui o LCO.
O primeiro trabalho detalhando os princípios de design de um GLCC foi publicado por Kouba em 1995. Após Kouba diversos outros autores se dedicaram a estudar a geometria do separador como Gomez e Movafaghian.
A metodologia usada no dimensionamento do diâmetro do corpo do GLCC é na verdade pouco clara pois o material disponível na literatura é muitas vezes incompleto ou superficial necessitando que muitas suposições sejam feitas a priori. Na prática a dimensão exata acaba sendo definida com base em experiências anteriores ou testes em laboratório.
O GLCC projetado para esse loop levou em consideração resultados experimentais obtidos para chegar no diâmetro entre 4” e 5”. O valor ótimo exato depende basicamente da vazão de líquido usada. A fim de se utilizar um diâmetro comercial de tubo e considerando o range de vazões usado no loop, o diâmetro de 5” se mostra ser o mais adequado.
3.3.2 Tubo de entrada
A entrada da mistura no GLCC se dá por um tubo com inclinado em relação a horizontal, como ilustrado na Figura 14. Suas funções são duas: promover a estratificação da mistura, facilitando assim a separação, e direcionar para baixo o fluido de maneira que após entrar no GLCC não obstrua a entrada ao completar uma revolução. Segundo experimentos realizados por Kouba (1995) um ângulo de inclinação de aproximadamente 27° é grande o suficiente para evitar essa obstrução e ao mesmo tempo pequeno o suficiente para não fazer com que bolhas de gás sejam arrastadas para a saída de liquido. Já o comprimento mínimo desse tubo, de acordo com Gomez (1999), está entre 0,9m e 1,5m.
Outro aspecto importante no dimensionamento do tubo de entrada do separador é a redução de área que ocorre na tubulação logo antes da entrada, o que provoca um aumento da velocidade da mistura entrando no GLCC. A velocidade tangencial do liquido, segundo Gomez (1999), é recomendado que esteja entre 15 ft/s e 20 ft/s (ou 4,5m/s e 6,1m/s) já que uma velocidade muito baixa diminui a força centrípeta que promove a separação mas por outro lado uma velocidade muito alta pode criar um vortex muito longo o que causaria um aumento do gás-carryunder ao arrastar bolhas de gás para a saída de liquido.
Essa diminuição da área garante também que o fluido entre tangencialmente no GLCC aumentando a sua eficiência de separação (Figuras 15 e 16).
Figura 15 - Detalhe da geometria do tubo de entrada do GLCC
Figura 16 - Diminuição de área na entrada do GLCC construído no Núcleo Interdisciplinar de Mecânica dos Fluidos (NIDF)
3.3.3 Comprimento das pernas superior e inferior
O comprimento inferior, abaixo da entrada da mistura, deve ser suficiente para manter uma coluna de liquido abaixo do vortex formado garantindo que haja tempo o suficiente para que pequenas bolhas presentes no liquido consigam de desassociar e não sejam carregadas para a saída de liquido, diminuindo assim o conteúdo de gás levado para a saída de líquido (gas-carry under (GCU)). De maneira semelhante, o comprimento da parte superior do GLCC, acima da entrada, influencia na quantidade de gotículas de liquido que podem ser carregadas para a saída de gás. O valor recomendado por Gomez (1999) para GLCCs com diâmetro até 30cm, baseado em experiências anteriores, é entre 1,2 m e 1,5 m tanto para a parte superior quanto para a parte inferior.
3.3.4 Desenho e dimensões finais do GLCC
Figura 17 - Dimensões do GLCC
As dimensões finais do separador gás-líquido especificado para a bancada são apresentadas na Figura 17.
3.3.5 Operação do separador
O funcionamento correto com a maior eficiência de separação requer alguns ajustes no início da operação do GLCC. É necessário, após a partida do loop, o ajuste manual das válvulas reguladoras de vazão que estão colocadas na saída de gás e na de liquido. Esse ajuste é feito para controlar principalmente a altura de liquido dentro do separador e garantir que ela se mantenha abaixo do ponto de entrada da mistura.
3.3.6 Influência da viscosidade do fluido na performance do GLCC
É de interesse desse trabalho o estudo do impacto que a viscosidade tem na eficiência de separação do GLCC a fim de prever a condições de operação com os diferentes tipos de óleos e misturas água-óleo.
Segundo relatado por Movafaghian (1999) a principal mudança com o aumento da viscosidade é o aumento da altura de equilíbrio da coluna de liquido dentro do GLCC devido as maiores perdas por atrito, como mostrado na Figura 18.
Figura 18 – Influência da viscosidade do fluido na altura de equilíbrio do GLCC
3.3.7 Testes e resultados experimentais
Assim como ocorreu com o experimento realizado para aferir a frequência de bolhas na tubulação, para o GLCC um experimento também foi montado a fim de se observar a performance e eficiência de separação em condições reais. Foi utilizado para o teste um GLCC com dimensões próximas às especificadas no item 3.3.4 e operando sob as condições de escoamento calculadas anteriormente.
O separador foi construído em acrílico transparente e tem como principais dimensões os seguintes valores: diâmetro do corpo de 80 mm ; altura de 3m ; inclinação do tubo de entrada 27°. A medição da vazão de água e de ar foi feita com um rotâmetro e um medidor do tipo vortex respectivamente.
Figura 19 - Experimento com o GLCC realizado no NIDF/UFRJ
No total foram feitas 10 tomadas de dados onde variou-se a vazão de água e a de ar dentro da faixa de operação projetada para o loop. Observou-se em cada um dos 10 testes realizados as condições de operação e a eficiência de separação quanto a quantidade de LCO e de GCU. Os resultados obtidos foram agregados na Tabela 4. Algumas ilustrações do separador em operação são apresentadas na Figura 19.
Foi observado em certas combinações de vazão de gás e liquido, conforme indicado na Tabela 4, um excessivo carreamento de liquido pela saída superior de gás em forma de pequenas gotículas. Devido ao separador utilizado no experimento ser transparente foi possível determinar o ponto de LCO excessivo através de uma inspeção visual do escoamento dentro do GLCC.
Visualmente não foi percebida, em nenhum dos testes, uma quantidade de ar significativa de ar sendo carregada para a saída de líquido. Percebeu-se, no entanto, que sempre que a vazão de líquido foi aumentada foi preciso abrir mais a válvula que restringe a saída inferior a fim de manter a altura da coluna d’água abaixo do ponto de entrada.
Nº Vazão de água (m³/h) Vazão de ar (m³/h) Pressão no ponto de medição da vazão do ar (bar) Temperatura do ar (°C) Observação 1 5 6,7 0,25 22,8 Separação normal 2 5 11,6 1,65 22,8 Separação normal 3 6 6,2 0,23 22,7 Separação normal 4 6 11,4 1,6 23,2 Separação normal
5 6 12,0 2,4 22,8 Observado LCO excessivo
6 8 6,1 0,27 22,7 Separação normal
7 8 10,0 0,9 22,7 Separação normal
8 8 11,0 1,4 22,9 Observado LCO excessivo
9 10 6,1 0,3 22,6 Separação normal
10 10 8,5 0,6 22,8 Observado LCO excessivo
3.4 Misturador
É um equipamento desenvolvido para otimizar a mistura de até três fases. Uma das suas principais características é o uso da chamada placa de separação (splitter plate), o que faz com que cada uma das fases seja introduzida paralelamente ao escoamento e não transversalmente, como é o usual. Essa característica contribui para, principalmente em altas vazões, diminuir a agitação da mistura no ponto de injeção, o que favorece a estratificação do escoamento e a formação do padrão em golfadas.
O misturador é baseado no modelo proposto por Ujang (2006) e funciona de maneira que cada fase deve ser introduzida no escoamento de acordo com a sua densidade. O gás pela entrada superior, o óleo pela do meio e a água pela inferior, no caso de mistura trifásica
O projeto do misturador considerou uma tubulação de 1,5” e dimensões para o comprimento da placa de separação e comprimento total de 4D e 8D respectivamente. Esses comprimentos correspondem ao dobro daqueles do separador utilizado originalmente por Ujang. Essa escolha foi feita devido à incerteza quanto ao comportamento em situações com vazões maiores do que as utilizadas em seu trabalho.
Nas Figuras 20 e 21 o projeto e as dimensões são detalhados. Foram considerados para os tubos e flanges o padrão para baixa pressão schedule 40 e ANSI 150 respectivamente.
3.5 Instrumentação
3.5.1 Medidor de bolhas
Será utilizado um medidor não intrusivo capaz de fornecer velocidade, comprimento e frequência de bolhas que será colocado em dois trechos do loop: um no final do trecho horizontal e um no final do trecho inclinado, conforme indicado no desenho esquemático da Figura 6.
No medidor, desenvolvido no NIDF/UFRJ, são utilizados sensores para medir a resistividade do meio e detectar a fase, liquida ou gasosa, e o momento de transição de uma para a outra. Os sensores são posicionados com uma pequena distância “dx” conhecida entre eles e a diferença no tempo de detecção da frente de bolha é utilizada para calcular suas propriedades.
A quantidade de sensores utilizados na medição depende então da confiabilidade desejada e de quais grandezas se deseja medir. A medição, por exemplo, da frequência de bolhas necessita de no mínimo um sensor. Já para a medição do comprimento de bolha e velocidade são necessários ao menos dois.
O sinal analógico enviado pelo sensor é capturado pelo computador através de uma placa de aquisição e é então tratado para se obter as propriedades do escoamento. No caso da frequência de bolha, que é a principal variável de interesse nesse trabalho, o tratamento do sinal analógico é simples. Primeiramente o sinal é “binarizado”, resultando em algo como o sinal da Figura 22. Essa transformação é feita comparando o valor do sinal analógico com um valor de referência. Valores acima do de referencia resultam em um sinal lógico unitário, caso contrario zero.
Figura 22 - Sinal ideal de detecção de passagem de uma bolha (Ferreira 2015)
A frequência de passagem de bolhas é, em seguida, calculada ao se contar o numero de pulsos e dividir pelo tempo de amostragem do sinal.
3.5.2 Medidores de vazão de gás e de líquido
A vazão de cada uma das fases é o parâmetro mais relevante a se controlar quando se deseja estudar o padrão de escoamento em golfadas. Nesse loop serão especificados para tal função dois medidores de vazão volumétrica, um do tipo vortex para o gás e um do tipo deslocamento positivo para o líquido, indicados na Tabela 5. O medidor vortex tem a vantagem de serem simples, de baixo custo e não provocar grande perda de carga, além de possuírem tolerância à presença de pequenas quantidades de líquido na tubulação de gás. Já o medidor de deslocamento positivo foi escolhido por ser mais robusto, de maneira que consegue trabalhar com diferentes tipos de fluidos e de misturas com densidades e viscosidades diversas sem problemas e sem necessidade de qualquer ajuste no medidor.
Gás Líquido
Princípio de operação Vortex Deslocamento
positivo
Faixa de operação 2 a 20 m3/h 1 a 10m3/h
Incerteza máxima 1% 1%
Tabela 5 - Especificação dos medidores de vazão
3.5.3 Medidor de temperatura
A medição da temperatura é importante principalmente na linha de gás, devido à maior sensibilidade da sua densidade com a temperatura. A temperatura medida do gás será utilizada então na conversão entre vazão a volumétrica e a vazão mássica utilizando as equações de estado. O projeto deste loop será feito com apenas um ponto de medição de temperatura, em linha, que ficará na região logo antes ao medidor de vazão de gás. 3.5.4 Medidor de pressão
O monitoramento da pressão na tubulação será feito em três regiões: antes do medidor de vazão de gás, no ponto de mistura e ao final da a seção de testes. Apesar da baixa influência da pressão na frequência de passagem de bolhas, como foi visto na Seção 2 desse trabalho, a medição da pressão é importante para a correção da vazão volumétrica indicada pelo medidor em relação à vazão, no ponto onde ocorre a mistura, além também de permitir o cálculo da vazão mássica. O posicionamento dos manômetros na linha de gás está indicado na Figura 23.
Figura 23 - Posição dos medidores de vazão e pressão no ponto de mistura
4. Conclusão
Nesse trabalho foram apresentadas todas as considerações e parâmetros necessários para o projeto de um loop multifásico para o estudo do padrão de escoamento em golfadas. A principal característica considerada foi a frequência de bolhas na seção horizontal e na inclinada tendo como meta obter valores acima de 1Hz. A fim de se garantir o correto dimensionamento do diâmetro e vazões da fase liquida e gasosa utilizou-se duas estratégias complementares. Primeiramente foram utilizadas quatro correlações empíricas disponíveis na literatura para a frequência de bolhas. Em seguida foi montado um experimento em escala real com tubulação horizontal e inclinada de 1,5 polegada onde por meio de um sensor resistivo mediu-se os valores de frequência de bolhas no trecho horizontal. Observou-se ao final que a frequência de bolhas no experimento ficou ligeiramente acima da faixa prevista através das correlações e também que as vazões foram suficientes para exceder o valor mínimo de 1Hz desejado. Essas análises permitiram determinar no projeto do loop as faixas de vazão para o líquido (1 a 8 m3/h) e para o gás (2 a 15 m3/h) resultando em uma frequência de 1Hz a até mais de 5Hz.
Algumas recomendações de trabalhos futuros incluem a medição da frequência de bolhas no trecho inclinado da tubulação sendo que no atual trabalho apenas uma inspeção visual foi feita, onde se percebeu um aumento nesse valor. É de interesse também o estudo mais detalhado da influência da viscosidade do líquido no padrão de escoamento tanto no trecho horizontal quanto no inclinado com misturas de água, óleo e gás.
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