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Orientador: Marcelo Souza de Castro Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A produção de petróleo e de gás impõe, a cada dia, novos desafios tecnológicos e científicos, mais ainda durante e depois das crises econômicas mundiais. Dentro desse escopo e considerando a contínua evolução e inventividade de novas técnicas, são desenvolvidas correlações e novos conhecimentos multidisciplinares para o aumento e otimização da produção de petróleo e de gás em ambientes offshore e onshore. Verifica-se que, a cada dia, mais estudos e pesquisas precisam ser realizados. O presente trabalho apresenta um estudo sistemático para a modelagem associada à um escoamento bifásico em um duto curvo de seção retangular. Foram obtidos dados experimentais. Foi realizado um estudo analítico a partir da aquisição de dados e visualização dos diferentes fenômenos que ocorrem em um escoamento bifásico em duto curvo considerando as diferentes condições operacionais, tais como: mistura de dois fluidos Óleo-Ar e Água-Ar, padrão de escoamento em bolhas, vazão mássica de água entre 500 kg/h a 2000 kg/h, vazão mássica de ar de 0.09 kg/h a 1 kg/h, vazão mássica de óleo entre 200 kg/h a 2600 kg/h e vazão mássica de ar entre 0.07 kg/h a 5 kg/h, pressão de operação entre de 0 até 2.5 bar. Os fenômenos físicos investigados observados foram: coalescência de bolhas, formação de bolha alongada estacionária e formação de filme de líquido, presença de região de remistura com escoamento em bolhas de diversos diâmetros e existência de diâmetro crítico para bolhas saírem do canal do duto curvo. Foi feita uma comparação do escoamento com o que ocorre em escoamentos bifásicos no canal do rotor de bombas centrífugas, confirmando as semelhanças entre eles. Foi desenvolvida uma correlação para a determinação da espessura de filme de líquido com base nos resultados experimentais obtidos. Os resultados experimentais da espessura de filme de líquido foram comparados com as correlações existentes na literatura e com a correlação proposta. Os resultados permitiram apontar correções nos modelos testados para representarem mais acuradamente os dados experimentais obtidos Abstract: The production of oil and gas imposes, every day, new technological and scientific challenges, even more during and after the world economic crisis. Within this scope and considering the continuous evolution and inventiveness of new techniques, new correlations, and new multidisciplinary knowledge are developed for the increase and optimization of oil and gas production in offshore and onshore environments are necessary. It appears that, every day, more studies and research need to be carried out. The present work presents a systematic study for the modeling associated with a two-phase flow in a curved pipeline of rectangular section. Experimental data were obtained. An analytical study was carried out from the acquisition data and visualization of the different phenomena that occur in a two-phase flow in a curved pipeline considering the different operating conditions, such as: mixture of two fluids Oil-Air and Water-Air, flow pattern in bubbles, the flows were made in strips, where the mass flow of water varied from 500 kg/h to 2000 kg/h, the mass flow of air from 0.09 kg/h to 1 kg/h; the mass flow of oil varied between 200 kg/h to 2600 kg/h and the mass flow of gas varied between 0.07 kg/h to 5 kg/h, the operating pressure of operation varied from 0 to 2.5 bar and flow correlation’s existing in the literature and an experimental correlation were evaluated to allow a better understanding of this type of flow. The physical phenomena investigated observed were: bubble coalescence, stationary elongated bubble formation and a liquid film formation, presence of a remix region with flow in bubbles of different diameters and existence of a critical diameter for bubbles to exit the curved duct channel. A flow comparison was made with what occurs in biphasic flows in the rotor channel of centrifugal pumps, confirming the similarities between them. Therefore, a correlation for the determination of the liquid film height was developed based on the obtained experimental results. The experimental results of liquid film height were compared with existing models in the literature and with the proposed model. The results allowed to point out corrections in the tested models to more accurately represent the obtained experimental data Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES 46.068.425/0001-33

Orientador : Jose Maria Saiz Jabardo Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: Mostra-se, neste trabalho, o desenvolvimento de modelos semi-analíticos de previsão das transições bolhas-pistonado e pistonado-agitante em um escoamento gás-líquido vertical ascendente. Os resultados foram comparados com modelos analíticos e dados experimentais publicados. Um circuito de escoamento bifásico de água e ar, vertical, operável em baixa pressão, foi especialmente montado para que se obtivesse da- dos experimentais relacionados aquelas transições. Fotografias do escoamento e análises de propriedades dinâmicas do sinal de um sensor de resistividade mostraram que características importantes do escoamento não haviam sido, ate então, consideradas no modelamento das transições bolhas-pistonado e pistonado-agitante Abstract: The present work focus on developments of semi-analytical models for predicting the bubble-slug and slug-churn transition that are observed in a vertical upward gas- liquid flow. The results were compared with existing models and experimental data. An air-water vertical loop was constructed in order to obtain experimental data related to the mentioned transition regimes. The data were obtained through analyses of the dynamical properties of the signal from a resistivity probe. The results are also presented by photographs of the flow. Both photographs and signal data showed that important characteristics o£ the flow, of critical relevance when modeling the bubble-slug and the slug-churn transitions, had not been considered yet Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: David Comedi Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" Resumo: Neste trabalho, apresentamos resultados experimentais de um estudo de pinholes em filmes finos de a-Ge0.9Si0.1: H e a-Ge0.9Si0.1. As amostras foram depositadas pela técnica de Ion Beam Sputtering Deposition, usando kriptônio e argônio como gás de sputtering. Os pinholes foram observados por microscopia óptica em amostras crescidas sobre vidro usando diferentes pressões parciais de hidrogênio, em 6 e 12 regiões de 1mm2 escolhidos aleatoriamente perto do centro das amostras. A concentração de hidrogênio nas amostras foi determinada por medidas de transmitância no infravermelho. Foi observado um aumento imediato do numero médio de pinholes em função do tempo de armazenamento das amostras a temperatura ambiente, atingindo-se uma saturação após 20 dias aproximadamente. O número médio de pinholes a qualquer tempo depois da deposição é maior conforme a concentração de hidrogênio na amostra aumenta. Foi também medido o stress nos filmes em função do tempo o qual manteve-se constante dentro da margem de erro. Para explicar estes resultados, propor-se um modelo teórico, baseado em observações prévias reportadas na literatura, o qual considera as bolhas como precursores dos pinholes nos filmes. Para determinar os parâmetros do modelo fez-se um estudo da altura das bolhas usando um profilômetro e do diâmetro das mesmas por microscopia óptica. O ajuste do modelo teórico aos dados experimentais é bom, e os parâmetros obtidos a partir do mesmo não estão em contradição com os dados disponíveis na literatura Abstract: In this work, experimental results of a study of pinholes in a-Ge0.9Si0.1: H and a-Ge0.9Si0.1thin films are presented. These films were prepared using the ion beam sputtering deposition technique, with krypton and argon as working gases and using different hydrogen partial pressures. The pinholes were observed by optical microscopy in films deposited on corning glass substrates, in 6 and 12 regions of 1 mm2 random selected near to sample¿s center. The concentrations of hydrogen in the samples were determined by infrared transmission spectroscopy. We have observed immediate increase of the average number of pinholes with sample storage time at room temperature, attaining saturation after 20 days approximately. The average number of pinholes at any time after the deposition is higher as the sample hydrogen concentration increases. We have also measured the stress in the films as a function of time, which was constant within the experimental error. In light of the results, we have suggested a theoretical model based on prior observations reported in the literature, which consider the bubbles as the precursors of pinholes in the films. To determine the parameters of the model, we performed a study of the bubbles height using a perfilometer and of their diameter by optical microscopy. The agreement of the model with the experimental dataset is good, and the parameters obtained are not in contradiction with the data available in the literature Mestrado Física Mestre em Física

Orientadores: Fernando de Almeida França, Edson Yoshihito Nekagawa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O presente trabalho apresenta os resultados de uma investigação experimental realizada para avaliar a influência de um meio não-newtoniano e da inclinação da tubulação sobre a velocidade de ascensão de bolhas alongadas. o aparato experimental consiste de um tubo de acrílico transparente de 9,44 m, com diâmetro interno de 77,2 mm, que pode se fixado em qualquer inclinação entre as posições horizontal e vertical. Foram utilizadas válvulas de fechamento rápido para a medição da fração de vazio volumétrica, e sondas de condutividade elétrica para a determinação da velocidade e comprimento das bolhas alongadas. Foram realizados 622 testes, tendo ar como a fase gasosa e uma solução de goma xantana como o fluido de perfuração com comportamento não-newtoniano, para diversas inclinações do tubo. Adicionalmente, foram realizados 619 testes com a mistura ar-água. Os resultados experimentais foram comparados com trabalhos já publicados Abstract; This work shows the results of an experimental investigation carried out to evaluate the influence of a non-Newtonian medium and pipe inclination on the rise velocity of elongated bubbles. The experimental apparatus consists of a 9.44 m long transparent pipe with 77.2 mm inside diameter that can be set at any inclination from vertical to horizontal. It contains ball valves that allows measurements of volumetric void fractions, and electrical conductivity probes for length and velocity determination of elongated bubbles. For several pipe inclinations, 622 tests were run using air, as the gas phase, and Xanthum Gum solution, as the drilling fluid with non-Newtonian behavior. Additional 619 tests were run for air-water mixture. The experimental results were compared with previous works Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo

Orientador: Carlos Kenichi Suzuki Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A sílica vítrea é um material de grande interesse científico e tecnológico devido às suas propriedades físicas e químicas, tendo um vasto campo de aplicações avançadas, em particular na área da tecnologia de informação. Existem vários métodos de manufatura da sílica vítrea, sendo que a qualidade final do produto depende da matéria-prima e da técnica de processamento utilizado. Em aplicações ópticas, a sílica vítrea deve ser livre de bolhas e com baixa concentração de hidroxilas, visto que eles afetam a resistência mecânica e interferem na transmitância óptica. Neste estudo, utilizamos a técnica de Verneuil de fusão com chama, para a preparação de sílica vítrea de alta qualidade. Para estudar a geração de bolhas e incorporação de hidroxilas, utilizamos dois tipos de pós: pó de quartzo natural purificado e pó de sílica sintética sol-gel; e dois tipos de chama: chama GC2/¿O IND. 2¿ e GLP/¿O IND. 2¿ com diferentes relações de mistura dos gases. Para as amostras fundidas a partir do pó de quartzo natural, observamos que há uma grande quantidade de bolhas geradas são a partir de inclusões fluídas presentes no pó, no entanto, essas bolhas colapsam durante o processo de fusão, obtendo-se tarugos livre de bolhas. Para a chama de GC2/¿O IND. 2¿ obtivemos que a concentração de hidroxilas e de bolhas são influenciados pela mistura dos gases, diminuindo para as misturas mais redutoras. Utilizando uma mistura de GC2/¿O IND. 2¿ = 0,40 obtivemos uma sílica vítrea livre de bolhas e com baixa concentração de hidroxilas ('< ou =¿ 100 ppm) Abstract: Due to its exceptional physical and chemical properties, silica glass has been one of the most interesting material from both, scientific and technological points of view. The silica glass has a large spectra of advanced applications, in particular to the area of information technology. Several methods can be used for the production of silica glass, and the final quality of the product depends of raw-material and on the processing technique. For optical applications, the silica glass must be bubble-free with low hydroxyl content, once they interfere on the mechanical resistance and degenerate the optical transmittance. ln this study, the flame fused Verneuil technique has been used to prepare high purity silica glass. ln order to study bubbles generation and hydroxyl incorporation, two types of powders were used: purified natural quartz and synthetic sol-gel silica. And also, two types of flames, LPG/¿O IND. 2¿ and GC2/¿O IND. 2¿ flames with different mixtures, were used to conduct the experiment. It was observed that for samples fused from natural quartz powder, a high concentration of small bubbles are generated from the inclusions present in the grain during fusion process, but such bubbles are collapsed as the fusion progresses to form bubble-free ingot. A strong dependence of the remained bubbles and hydroxyl concentrations with the mixture ratio of GC2/¿O IND. 2¿ flame was observed, decreasing its concentration for more reductive flame. A bubble-free silica glass with low concentration ('< ou =¿ 100 ppm) was obtained with 0,40 of GC2/¿O IND. 2¿ ratio Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz de Andrade Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Neste trabalho, estuda-se transferência de massa entre fases com reação química.Um modelo matemático, que propicia o cálculo do fluxo mássico associado a um processo de borbulhamento, é confrontado com dados experimentais obtidos em laboratório. O modelo, que poderia denominar-se modelo difusivo transiente, é utilizado para descrever a transferência de massa interna à bolha e tem como hipótese fundamental a transferência de massa exclusivamente por difusão molecular na fase gasosa (bolhas). O líquido, por sua vez, absorve e reage quimicamente com um dos componentes proveniente da fase gasosa (bolhas). Salienta-se o caráter transiente das condições interfaciais e a ausência de quaisquer efeitos térmicos. Para obtenção das pressões parciais dentro da partícula esférica, bem como os fluxos de massa, a equação da difusão (2ª Lei de Fick) foi resolvida numericamente pelo método de Colocação Ortogonal. Um pequena coluna de borbulhamento em acrílico, com seção retangular de 13,7 x 15,0 cm foi construída, onde um difusor cônico distribuía o gás através de cinco furos (1 mm de diâmetro) pela base da coluna. A tabela abaixo mostra os sistemas estudados, explicitando-se os gases (sempre balanceados com nitrogênio) e os solventes utilizados... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: Interface mass transfer with chemical reaction is studied in this work. A mathematical model, which gives a mass flux associated with a bubbling process, is compared with experimental results. The model, for which the fundamental hypothesis is that mass transfer occurs only by molecular diffusion at the gas phase (bubbles), has been used to compute the mass flux into bubbles. As well as absorbing the soluble gas, the solvent should also react to it. It is pointed out the unsteady state interface conditions and that bubbling occurs at constant temperature. The diffusion equation (Fick's second law) has been solved to determine the partial pressure into sphericalparticles and the mass fluxes through the Orthogonal Collocation method. The experimental studies were performed in an acrylic column with a rectangular cross section (13.5x15 cm) in semibatch regime The gas mixture was fed continuously at the bottom of the column through a distribution cone. Between the cone and the column there was a perforated plate with tive oritices of 1 mm in diameter. Table I shows the gases and solvents chosen... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Ana Maria Frattini Fileti, João Alexandre F. R. Pereira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema óptico de detecção de bolhas em tubulações. Esta montagem foi realizado no Laboratório de Controle e Automação de processos de DESQ/FEQ/UNICAMP. As bolhas podem representar um problema em certos processos químicos, por exemplo, no caso de uma tubulação que alimenta uma bomba. Deseja-se exista somente líquido passando, pois bolhas geraria cavitação e também desgaste do rotor devido ao choque dessas bolhas de ar com o rotor e com as paredes internas da bomba, inutilizando-a em pouco tempo de uso. Um outro exemplo, em tubulações com líquidos quentes que alimentam um trocador de calor, a presença de bolhas faz com que a eficiência da troca térmica do equipamento diminua. O sistema óptico desenvolvido utilizou como emissor de luz, o laser e como receptor, um componente eletrônico chamado de fototransistor. Dois tipos de sensores ópticos foram desenvolvidos. O primeiro deles, o sensor pontual, utiliza apenas um emissor laser e um fototransistor. Já o segundo, chamado de sensor multiponto, utiliza quatro emissores laser e quatro fototransistores. Duas interfaces eletrônicas foram desenvolvidas. A interface do sensor pontual funciona com retenção do sinal de saída, ou seja, a saída não se altera até a passagem de uma nova bolha... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: This work describes the development of an optical system to detect bubbles on chemical industries pipelines. The experimental apparatus was assembled in the Processes Control and Automation Laboratory of DESQ/FEQ/UNICAMP. Bubbles may represent a problem in some processes. For example, the presence of bubbles in the liquid that feeds a centrifugal pump can cause a decrease in the pump efficiency and the rotor wearing down due to the friction forces. Another example can be found in pipes with hot fluid that feeds a heat exchanger. Bubble appearance will also decrease the heat transfer efficiency. The developed optical system employs the laser pointer pen as a light source (emitter) and an electronic component, called phototransistor, as a receiver. Two optical sensors were developed. The first one was assembled using just one emitter and one-receiver devices. The second one, called multipoint sensor, was developed using four emitters and four receivers. An electronic interface was successfully developed to connect the optical sensor on the Fieldbus network. For the one-emitter-sensor, the interface uses the latch feature so that the transmitter state does no change until a new event happens. On the multipoint sensor, the interface works as an asynchronous counter: for every bubble event, the counter in the software is increased by one... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations Mestrado Sistemas de Processos Químicos e Informática Mestre em Engenharia Química

Orientador: Elnatan Chagas Ferreira Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação Resumo: Na arquitetura duplo "folding" com interpolação, os bits mais significativos são determinados pela quantização do sinal de entrada usando um circuito "folding" e os bits menos significativos são obtidos pela técnica de interpolação. A maioria das soluções empregadas para implementar uma técnica de interpolação utiliza a interpolação resistiva ou uma técnica de interpolação por divisão de corrente (com transistores NMOS). Estas técnicas de interpolação têm alguns aspectos indesejáveis. Alternativamente, este trabalho propõe fazer a interpolação no circuito de "folding encoder" e nos "latches" mestre do conversor A/D. Os resultados mostraram que a nova técnica de interpolação pennite construir conversores A/D de 8 bits, porém é necessário cuidados especiais na detenninação das áreas dos transistores que fazem a interpolação dupla. Nos conversores A/D tipo duplo "folding", um conjunto de alguns "latches" mestre-escravo transforma a informação analógica interpolada em um código circular. Um erro de decisão em um "latch" mestre-escravo pode causar erro no código circular (denominado erro de bolha). Técnicas de correção de erro detectam e corrigem os erros de bolha, melhorando a razão de erro do conversor A/D. Este trabalho também propõe e descreve um novo método para a técnica digital de correção de erro que detecta e corrige erros de bolha durante a detecção da transição de zero para um do código circular. Além disso, este trabalho propõe uma nova topologia para o conversor A/D que permite diminuir a complexidade do circuito e o consumo de potência, com a conseqüente redução da área do "chip" Abstract: In a double folding architecture with interpolation, the most significant bits are determined by the quantization of input signal using a folding circuit and the least significant bits are obtained by interpolation technique. Most of the solutions employed to implement an interpolation technique use a resistive interpolation or a current division interpolation technique (with NMOS transistor). These interpolation techniques have some undesirable features. Alternatively, this work proposes to make the interpolation in the folding encoder circuit and in the master latches of the A/D converter. The results showed that the new interpolation technique allows to build A/D converters of 8 bits, even so it is necessary special care in the determination of the areas of the transistors that make the double interpolation. In double folding A/D converters, a set of some master-slave latches transforms the interpolated analog information into circular code. A decision error in a master-slave latch may cause error in the circular code (the so-called bubble error). Error correction techniques detect and correct bubble errors improving the error rate of the A/D converter. This work also proposes and describes a new method for digital error correction technique that detects and corrects bubble errors during the transition detection from zero to one for circular code. Furthermore, this work proposes a new topology for the A/D converter that allows the decrease of circuit complexity and of the potency consumption, with the consequent reduction of the area of the " chip" Doutorado Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Milton Mori Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Esta pesquisa tem como objetivo avaliar as principais forças interfaciais que atuam no escoamento gás-líquido em uma coluna de bolhas retangular, de dimensões 150cm x 26;4cm x 3;1cm (altura (H) x largura (W) x profundidade (D)), com aeração centralizada, empregando a Fluidodinâmica Computacional (CFD). O caso proposto é baseado em um estudo experimental de um sistema ar-água operando em regime homogêneo, com altura inicial de líquido (Hl) igual a 79;2cm, correspondente a razão de aspecto (Hl /W) de 3. Empregou-se para a fase dispersa, um diâmetro de bolhas de 4;95mm e uma velocidade superficial de 2;9cm/s. Para validação do modelo, comparações com dados experimentais obtidos da literatura foram realizados em seções transversais em quatro níveis axiais (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). Para o fechamento do modelo matemático foram analisados quatro modelos de turbulência na descrição da fase contínua (k-'épsilon', RNG k-'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), bem como diferentes correlações para a verificação da influência das forças interfaciais envolvidas neste tipo de escoamento (arraste, sustentação, dispersão turbulenta e massa virtual). As forças de sustentação e dispersão turbulenta em adição à de arraste mostraram influências significativas nos padrões fluidodinâmicos, enquanto que a força de massa virtual pôde ser negligenciada para o caso estudado. O modelo completo final testado, predisse satisfatoriamente o escoamento em regiões onde este se encontra plenamente desenvolvido, concordando com o padrão experimental Abstract: This study aims to evaluate the main forces which act in gas-liquid flow in a rectangular bubble column of dimensions 150cm x 26;4cm x 3;1cm (height (H) x width (W) x depth (D)), with centralized aeration, using CFD technique. The proposed case is based in a experimental study of an air-water system operating in homogeneous bubbly flow, with initial liquid height (Hl) of 79;2cm, corresponding to aspect ratio (Hl /W) of 3. For dispersed phase it was employed a bubble diameter of 4;95mm and a superficial velocity of 2;9cm/s. To validate the model, comparisons with experimental data provided from literature were carried out in transversal sections at four axial levels (Y/Hl = 0;1; 0;2; 0;4; 0;75). To closure the mathematical model, four distinct turbulence models were analyzed to describe the continuous phase (k--'épsilon', RNG k--'épsilon', LRR-RSM, SSG-RSM), as well different correlations to verify the influence of the interfacial forces involved in this type of flow (drag, lift, turbulent dispersion and virtual mass). The consideration of lift and turbulent dispersion in addition to drag force showed meaningful influences in fluid dynamics pattern, while virtual mass force can be neglected. The final complete model tested predicted properly the flow in fully developed regions, according to the experimental pattern Mestrado Processos em Tecnologia Química Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Marcelo Souza de Castro, Valdir Estevam Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências Resumo: Na indústria de petróleo, o bombeio centrífugo submerso (BCS) é um dos principais métodos de elevação artificial, tendo como característica uma elevada vazão de produção e flexibilidade na instalação. Sendo composto de uma bomba centrífuga de múltiplos estágios, essa bomba fornece energia ao petróleo com a finalidade de elevá-lo até as facilidades de produção. No entanto, algumas condições operacionais, tais como, presença de gás livre na entrada da bomba, podem causar degradação do desempenho, ou até mesmo, causar instabilidades operacionais e interrupção da produção. A presença de gás livre está associada aos fenômenos de surging e gas locking. Contudo, estes fenômenos são de difícil visualização devido a estrutura do estágio que impede observações experimentais detalhadas do escoamento no seu interior. Desta forma, este trabalho propõe o estudo experimental de escoamento bifásico gás-líquido (Água-Ar e Óleo-Ar) em um duto curvo vertical de 180 graus, num circuito fechado de seção não circular de acrílico transparente, simulando assim as condições cinemáticas e dinâmicas semelhantes àquelas que o fluido está exposto durante a passagem no rotor da BCS. O duto curvo permite uma visualização em corte desse escoamento, mostrando, a depender das condições operacionais, a coalescência de bolhas, a presença de uma bolha alongada, um filme de líquido e uma região de remistura semelhantes ao que ocorre no escoamento no rotor de uma bomba centrífuga. Além disso, essa visualização permite identificar o padrão de escoamento de entrada, formação e as características da bolha alongada formada. Desta forma, foi possível estudar a classificação dos padrões de escoamento a partir da formação da bolha alongada, fazer a medição da espessura do filme líquido, calcular os diferentes parâmetros e variáveis na busca do entendimento do comportamento da bolha alongada em distintos parâmetros analisados. A Matriz de Testes considerou escoamento de fluidos água-ar e óleo-ar, para várias pressões na entrada, vazões de líquido e de gás. Os resultados atestaram diferenças nas formações da bolha alongada para os dois fluidos estudados. No experimento água-ar, os números adimensionais utilizados mostraram uma tendência clara em referência a formação da bolha. Já no experimento óleo-ar, onde a viscosidade afetou o escoamento, verificou-se a necessidade de mais experimentos para maiores conclusões. Os resultados obtidos servirão de base para o estudo e melhor entendimento dos fenômenos de surging e gas locking em futuros trabalhos Abstract: In the oil industry, electrical submersible centrifugal pumping (ESP) is one of the main methods of artificial lift, with a high production flow and installation flexibility. It is composed of a multistage centrifugal pump, this pump supplies energy to the oil with the purpose of lifting it up to the production facilities. However, some operating conditions, such as the presence of free gas at the pump inlet, can cause performance degradation, or even cause operational instabilities and interruption of production. The presence of free gas is associated with the phenomena of surging and gas locking. However, these phenomena are difficult to visualize due to the stage structure that prevents detailed experimental observations of the flow inside. In this way, this work proposes the experimental study of two-phase gas-liquid flow (Water-Air and Oil-Air) in a vertical 180° curved duct, in a closed circuit of transparent acrylic non-circular section, thus simulating the kinematic and dynamics conditions like those that the fluid is exposed during the passage in the ESP impeller. The curved duct allows a sectional view of this flow, showing, depending on the operational conditions, the coalescence of bubbles, the presence of an elongated bubble, a liquid film and a remixing region similar to what occurs in the flow in the rotor of a Centrifugal pump. In addition, this visualization allows to identify the flow pattern of entry, formation and the characteristics of the elongated bubble formed. In this way, it was possible to study the classification of the flow patterns from the formation of the elongated bubble, measure the thickness of the liquid film, calculate the different parameters and variables in the search for understanding the behavior of the elongated bubble in different analyzed parameters. The Test Matrix considered flow of water-air and oil-air fluids, for various inlet pressures, liquid, and gas flow rates. The results attested to differences in the formation of the elongated bubble for the two studied fluids. In the water-air experiment, the dimensionless numbers used showed a clear trend in reference to the formation of the bubble. In the oil-air experiment, where liquid viscosity affected the flow, there was a need for more experiments for greater conclusions. The results obtained will serve as a basis for the study and better understanding of the phenomena of surging and gas locking in future works Mestrado Explotação Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo CAPES 001

Escoamentos multifásicos são fenômenos recorrentes tanto em ambientes naturais – como nas erupções vulcânicas e no escoamento de sangue pelas veias – quanto nos ambientes industriais – como nas indústrias nuclear e petrolífera. O conhecimento sobre a hidrodinâmica do escoamento, assim como sua evolução ao longo da tubulação, é essencial para o correto dimensionamento de linhas de produção, equipamentos (como bombas e slug catchers) e para formular estratégias para otimizar a extração de óleo dos reservatórios. Um padrão de escoamento frequentemente reportado nas linhas de produção de petróleo é o padrão em golfadas, motivo pelo qual o presente estudo se concentra em sua investigação. Para a análise do escoamento, uma nova metodologia é proposta e aplicada aos dados extraídos nas dependências experimentais do Núcleo de Estudos Multifásicos (NUEM). O circuito experimental tem 35,6 m de comprimento e 26 mm de diâmetro interno e foi operado sob 18 diferentes condições experimentais de golfadas e monitorado ao longo de 5 diferentes estações de medição compostas por um par de sensores resistivos e distribuídas ao longo da tubulação. Os dados foram analisados usando um ponto de referência Euleriano, através do qual se encontram distribuições estatísticas para cada parâmetro em cada estação de medição para cada ponto experimental, e um ponto de referência Lagrangeano, que segue células unitárias ao longo da tubulação para avaliar as mudanças nos parâmetros hidrodinâmicos de estruturas individuais. Correlações são propostas baseadas nos resultados observados para a média e o desvio padrão dos parâmetros. Ainda, é feita a comparação com trabalhos na literatura de maneira a testar as correlações propostas, assim como propor correções às existentes. Ademais, detalhes do escoamento são investigados usando a metodologia proposta, que é capaz de fornecer informações adicionais pertinentes sobre o comportamento do escoamento – como a natureza intrinsicamente transiente do escoamento em golfadas, demonstrado pelas variações dos comprimentos dos pistões de líquido, cujo valor médio não varia significativamente, mas que é produto de variações abruptas positivas e negativas nos pistões individuais. Além disso, é demonstrado que a expansão do gás é um fenômeno diretivo em pontos de alta aeração, mas se torna menos pronunciado em escoamentos de baixa aeração – como o plug flow. Por fim, o comportamento das variáveis hidrodinâmicas ao longo da tubulação e os fenômenos associados a ele são profundamente investigados – fornecendo informações úteis para futura modelagem. Multiphase flows are recurrent phenomena both in natural environments – such as volcanic eruptions and blood flow through veins – and industrial environments – such as the nuclear and petroleum industries. Knowledge about the hydrodynamics of the flow as well as its evolution across the pipeline is essential to correctly design pipelines, equipments (such as pumps and slug catchers) and to formulate strategies to optimize the crude oil exploitation from reservoirs. A frequently reported flow pattern in oil pipelines is slug flow, reason why the present study focuses in its investigation. In order to analyze the flow, a novel methodology is proposed and applied to data retrieved in Multiphase Flow Center (NUEM) experimental facilities. The experimental loop has a length of 35.6 m and 26 mm internal diameter and was operated under 18 different slug flow conditions – varying gas superficial velocity from 0.3 to 2.5 m/s and liquid superficial velocity from 0.3 to 3.0 m/s – across 5 different measuring stations composed by a pair of two-wire resistive sensors distributed along the pipe. Data was analyzed using Eulerian reference frame (ERF), which provides distributions for each hydrodynamic parameter in each measuring station for every experimental point, and Lagrangian reference frame (LaRF), which follows unit cells across the pipeline in order to evaluate the change in hydrodynamic parameters of single structures. Correlations were proposed based on retrieved results for hydrodynamic parameters average values and standard deviation. Moreover, a comparison against previous works was made in order to test the presented correlations as well as to propose corrections to the existing ones. Furthermore, details of the flow were investigated using the developed methodology, which was able to provide additional and insightful information about the flow behavior – such as the intrinsically unsteady nature of slug flow, as slug lengths were found to oscillate at all times, even though average values did not report significant changes, which would indicate developed flow conditions. Moreover, it was shown that gas expansion is a driver phenomenon in heavily aerated points, but becomes lees pronounced in low aeration flows – such as plug flows.

Submitted by Samira Nascimento Stain null (samirastain@hotmail.com) on 2018-03-14T19:59:05Z No. of bitstreams: 1 MORAES, S.N.S. DISSERTAÇÃO-FINAL aprovada.pdf: 3124598 bytes, checksum: 2f90002ac800ae1fd2e713c1c838eff3 (MD5) Approved for entry into archive by Ana Carolina Gonçalves Bet null (abet@iq.unesp.br) on 2018-03-19T19:09:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 moraes_sns_me_araiq_int.pdf: 3156975 bytes, checksum: b6848b17d6500a3a3ab853f49a4404f6 (MD5) Made available in DSpace on 2018-03-19T19:09:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 moraes_sns_me_araiq_int.pdf: 3156975 bytes, checksum: b6848b17d6500a3a3ab853f49a4404f6 (MD5) Previous issue date: 2018-02-20 Outra O grande interesse das indústrias de embalagens de vidro está focado na redução de custos que envolvem o processo contínuo da produção dos frascos e seus impactos na produtividade. Para isso, os frascos de vidro devem estar de acordo com as necessidades do mercado consumidor. Assim, é de grande importância para esta indústria o conhecimento dos padrões de qualidade dos frascos produzidos, identificando os possíveis problemas, analisando suas origens e sanando os mesmos. Neste contexto, o presente trabalho foi baseado no estudo da melhoria do processo de conformação de frascos de vidro utilizados no armazenamento de medicamentos e perfumes, através do controle de propriedades mecânicas e ópticas. As propriedades mecânicas foram analisadas com o intuito de evitar-se a presença de trincas e fraturas, e através das propriedades ópticas avaliou-se a cor, propriedades relacionadas ao brilho e transparência, assim como os processos de oxi-redução que são responsáveis pela coloração dos vidros e bolhas. Os vidros foram caracterizados empregando-se as seguintes técnicas: espectroscopia na região do Ultravioleta-vísivel (UV-Vis), espalhamento Raman, calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia óptica e perfilometria. Dentre as técnicas de caracterizações citadas anteriormente, a principal técnica utilizada neste trabalho foi a espectroscopia Raman, com a qual foi possível caracterizar e identificar as impurezas contidas nos frascos de vidro analisados. A presença de impurezas pode gerar trincas, bolhas e influenciar na coloração dos frascos, sendo estes os grandes problemas desta indústria. Através dos resultados obtidos pela espectroscopia Raman constatou-se uma diversidade de impurezas cristalinas, as quais, primeiramente, foram comparadas com uma base de dados feita a partir das matérias-primas, refratários e isolantes fornecidos pela empresa. A identificação das impurezas permitiu encontrar as possíveis fontes de impurezas na indústria, as quais estão atualmente sendo controladas para minimizar as perdas durante o processo de fabricação. The great interest of the glass packaging industries is focused on reducing costs that involve the continuous process of bottle production and its impacts on productivity. For this, the glass jars must conform to the needs of the consumer market. Thus, it is of great importance for this industry the knowledge the quality standards of the bottles produced, identifying the possible problems, analyzing its origins and healing them. In this context, the present work was based on the study of the improvement of the process of conformation of glass bottles used in the storage of medicines and fragrances, through the control of mechanical and optical properties. The mechanical properties were analyzed in order to avoid the presence of cracks and fractures, and the optical properties were used to evaluate the color, properties related to brightness and transparency, as well as the oxi-reduction processes that are responsible for the color of glasses and bubbles. Glasses were characterized using the following techniques: ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, Raman scattering, differential scanning calorimetry (DSC), optical microscopy and profilometry. Among the characterization techniques mentioned above, the main technique used in this work was Raman spectroscopy, with which it was possible to characterize and identify the impurities contained in the analyzed glass bottles. The presence of impurities can generate cracks, bubbles and influence the coloring of the jars, these being the major problems of this industry. The results obtained by Raman spectroscopy revealed a diversity of crystalline impurities, which were first compared to a database made from the raw materials, refractories and insulatings provided by the company. The identification of the impurities allowed to find the possible sources of impurities in the industry, which are currently being controlled to minimize losses during the manufacturing process.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Bubble columns are equipments used in many unit operations on food, textile and chemical industries. Flotation columns and phase invertors are examples of bubble columns used on separation processes. Due to the great interaction between continuum and disperse phases, they are equipments of simple operation, but present a very complex fluid dynamics. This thesis is about the fluid dynamics interaction between phases of a non regular cylindrical bubble column which may be operated by dissolved air or dispersed air. The work was conducted in two distinct fronts that are interrelated: a) experimental and CFD studies of the bubble column fluid dynamics b) study on the application of the column operated with micro bubbles in separation processes. The first front aimed to study the influence of its geometrical characteristics and the operational variables feed and recirculation flow on the fluid dynamics properties on the three regions of the bubble column. On this stage, equations that allow relating the operational variables with the properties analyzed were established. The other front aimed to study the column application operating with dissolved air on the separation process of oily mixtures ranging from 50000 ppm v/v to 600 ppm v/v, as well as on the fines apatite beneficiation. On oily separations the flocculant polymer polyvinyl alcohol 20 ppm was used as the chemical agent. The higher values of efficiency and oil recovery rate by phase inversion, obtained on concentration range of 50000 to 10000 ppm and emulsion volumes of 0.76 to 0.24 L were 95% and 0.02L of oil/min respectively, obtained on the higher concentration values and the higher emulsion volumes. On the emulsion separation with concentration of 600 ppm, the higher efficiencies were obtained for the equipment operating with the number and diffuser disposition 0/4, 0/5, 1/5, 4/2 e 5/1, obtaining on these cases, effluents which meet the Brazilian norms of disposition of oily effluents with hydraulic retention time (HRT) between 21 and 32 seconds. On the bubble column application on mineral processing, the higher contents may be obtained to the column operating with a recirculation flow of 0.75 L/min, solids concentration of 12%, pH of 11.5, inlet recirculation 1.05 m above the base, and with saturated air feed by the intermediate flange, when it is expected a content of about 36% and recovery of about 90%. Colunas de bolhas são equipamentos utilizados em diversas operações unitárias na indústria química, de alimentos, têxtil, dentre outras. As colunas de flotação e os inversores de fases são exemplos de colunas de bolhas utilizadas em processos de separação. Devido às grandes interações entre as fases contínua e dispersas são equipamentos de simples operação, porém que apresentam fluidodinâmica bastante complexa. Este trabalho trata do estudo das interações fluidodinâmica das fases de uma coluna de bolhas de geometria cilíndrica não regular, que pode ser operada tanto por ar disperso quanto por ar dissolvido. O trabalho foi realizado em duas frentes distintas que se inter-relacionam: a) estudo experimental e em CFD de fluidodinâmica da colunas de bolhas b) estudo de aplicação da coluna operada com microbolhas em processos de separação. Na primeira frente de estudos objetivou-se estudar a influência de suas características geométricas e das vazões de alimentação e de recirculação, nas propriedades fluidodinâmicas de três regiões da coluna de bolhas. Nesta etapa foram estabelecidos modelos que possibilitam relacionar as variáveis operacionais com as propriedades analisadas. Na segunda frente objetivou-se estudar a aplicação da coluna, tanto no processo de separação de misturas oleosas, compreendendo a faixa de 50000 ppm v/v até 600 ppm v/v, quanto no beneficiamento do minério apatita de granulometria fina, pelo uso de microbolhas. Nas separações oleosas utilizou-se como agente químico o polímero floculante álcool polivinílico a 20 ppm. Os maiores valores de eficiência e taxa de recuperação de óleo por inversão de fase, obtidos na faixa de concentrações de 50000 a 10000 ppm e volumes de emulsão de 0,76 a 2,24 L foram respectivamente 95% e 0,02 L de óleo/min respectivamente, obtidos para os maiores valores de concentrações e os maiores volumes de emulsão. Na separação da emulsão com concentração de 600 ppm, foram obtidas as maiores eficiências para o equipamento operando com os números e disposições dos bocais 0/4, 0/5, 1/5, 4/2 e 5/1, obtendo-se para os casos efluentes que atendem às normas brasileiras de descarte de efluentes oleosos com tempos de retenção hidráulicos entre 21 e 32 segundos. Na aplicação da coluna de bolhas na flotação da apatita, os maiores teores de P2O5 podem ser obtidos para a coluna operando com vazão de recirculação em 0,75 L/min, concentração de sólidos em 12%, pH em 11,5, entrada de recirculação em 0,65 m e com mistura saturada alimentada pelo flange intermediário, quando é esperado um teor próximo de 36% e recuperação por volta de 90%. Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Luiz Felipe M. Moura, Ibere Nascentes Alves Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Uma modelagem para o escoamento bifásico vertical a bolhas e pistonado é proposta, através de uma abordagem Lagrangeana para a fase discreta e um tratamento Euleriano para a fase contínua. Cada bolha é tratada individualmente através de três equações: as de balanço de massa e de quantidade de movimento e a que determina a sua posição em relação a um referencÍal fixo na tubulação. A fase contínua é resolvida através da discretização com malhas defasadas das duas equações de balanço: de massa e de quantidade de movimento. O acoplamento entre as equações das duas fases é realizado através da fração volumétrica e das forças interfaciais. Foi desenvolvido um simulador computacional baseado neste modelo que, devido à abordagem individualizada dada às bolhas, permite que se faça um tratamento estatístico dos resultados. Pode-se determinar, em cada ponto da tubulação, o valor médio e o desvio padrão da altura das bolhas, do comprimento dos pistões de líquido, das velocidades das fases e do gradiente de pressão. Os valores calculados foram comparados com dados pesquisados na literatura e apresentaram um resultado satisfatório tanto para a altura das bolhas como para o comprimento dos pistões de líquido. As velocidades e o gradiente de pressão previstos obtiveram boa correlação com os valores medidos. Foi realizada ainda uma análise de sensibilidade para avaliar como os resultados são influenciados pela variação da vazão volumétrica das fases, do diâmetro do tubo e da pressão na extremidade jusante da tubulação Abstract: A model to predict the behaviour of vertical two-phase flow regimes, such as bubbles and slug flow has been proposed, using a Lagrangian representation of the discrete phase and a Eulerian representation of the continuous phase. Each bubble is modeled individually through three equations: the mass and the momentum balance equations and the bubble position equation. The continuous phase is solved using a staggered mesh for the mass and momentum equations. Volumetric fraction and interfaces forces provide the coupling of the phase models. A computer program has been developed based on this model and it allows a statistical treatment of the results, due to the individual bubbles approach. It's possible to calculate the average and standard deviation of the bubbles heights, liquid slugs lengths, phase velocities and pressure gradient, for each pipe position. The results were checked against existing data and a reasonable agreement for the lengths was obtained. The velocities and pressure gradient show a good correlation with measured data. It was also performed a sensitive analysis to check the influence of the phases volumetric flow rates, pipe diameter and outlet pressure on the simulation results Mestrado Mestre em Engenharia de Petróleo