Phenomenological modeling of gas-liquid flow in vertical 180º non-circular return bends

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