Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-16T11:37:24Z No. of bitstreams: 1 JÉSSICA LACERDA DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 2418283 bytes, checksum: 526f1819ad8814222db5d1a6d985ad51 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-16T11:37:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JÉSSICA LACERDA DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2016.pdf: 2418283 bytes, checksum: 526f1819ad8814222db5d1a6d985ad51 (MD5) Previous issue date: 2016-08-17 / CNPq / O modal dutoviário consiste na principal forma de transporte da produção de fluidos multifásicos, onde os dutos cilíndricos com seção transversal circular são os responsáveis pela interligação das regiões produtoras aos centros consumidores. O aumento da produção de óleo direciona o interesse da indústria do petróleo para estudos que tratem do aumento da vazão dos fluidos nos sistemas de transporte, utilizando tecnologias que permitam uma maior eficiência nesses sistemas. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é estudar o escoamento laminar de óleo e água em um duto com seção transversal elíptica, considerando o escoamento tridimensional, incompressível, sem transferência de calor, em regime permanente e com as propriedades físico-químicas constantes, por meio de simulação numérica. Resultados dos campos de pressão, velocidade e fração volumétrica das fases no escoamento para diferentes razões de aspecto do duto cilíndrico elíptico são apresentados e analisados. Verificou-se que quanto maior a razão de aspecto em um duto cilíndrico com seção transversal elíptica, menor será a perda de carga no duto. / The modal pipeline is the main form to production transportation of multiphase fluids, where the cylindrical ducts with circular cross section are used to link the producing regions to consumer centers. Increased oil production directs the interest in the oil industry to studies that deal with the increasing flow of fluids in transportation systems, using technologies that enable greater efficiency in these systems. In this sense, the objective of this work is to study the oil and water laminar flow in a pipeline with elliptical cross section, considering threedimensional and incompressible flow, no heat transfer, steady state regime with physicochemical properties through the numerical simulation. Results of pressure, velocity and volume fraction distribuitions of the phases in the flow for different aspect ratios of elliptic cylindrical duct are presented and analyzed. It has been found that when higher the aspect ratio of the a cylindrical duct with elliptical cross section, the lower the pressure loss in the duct.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2017-05-24T14:26:07Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2237346 bytes, checksum: 088238fab84060042b385a40d43c4c3b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-24T14:26:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2237346 bytes, checksum: 088238fab84060042b385a40d43c4c3b (MD5) Previous issue date: 2016-02-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The present paper makes an analysis of multiphase flow up (oil-gas) in laminar regime, with hidrodynamically developed profiles and interacting heat. The fluids analyzed are considered immiscible, developing into separated speed and temperature fields. The energy equations are applied to obtain of heat fields in the thermal entry region of the fluids flowing in the same direction. Although the results of parameters of practical interest has been obtained by purely numerical procedures, the system governing equations involving partial differential and have not been resolved successfully analytically yet. Thus, the use of Generalizes Integral Transform Technique, as powerful mathematical tool, is proposed to solve the energy equations associated with the flow and to producing hybrid results, analytical-numerical, more extension e analysis flexibility to a large number of parameter used in oil and gas engineering. Auxiliary problems with the greatest possible number of original problem information are presented in an attempt of improving the numerical convergence. Lastly, a computational routine is developed in FORTRAN to obtain the numerical solution. The numerical results obtained for the fields are presented in tables and graphs for then be compared with the maximum care to the parameters of special cases available in the literature. / O presente trabalho realiza uma análise do escoamento multifásico (óleo-gás) ascendente em regime laminar, com perfis hidrodinamicamente desenvolvidos e interagindo termicamente. Os fluidos em análise são considerados imiscíveis, desenvolvendo-se em campos separados de velocidade e temperatura. A equação da energia é aplicada para a obtenção dos campos térmicos em desenvolvimento na região de entrada térmica dos fluidos escoando na mesma direção. Embora resultados de parâmetros de interesse prático já tenham sido obtidos através de procedimentos puramente numéricos, o sistema de equações que regem esse tipo de escoamento envolve diferenciais parciais e ainda não foram solucionadas analiticamente com sucesso. Dessa forma, o uso da Técnica de Transformada Integral Generalizada, como ferramenta matemática, é proposto para resolver as equações de energia associada ao escoamento produzindo resultados híbridos, analítico-numérico, com maior flexibilidade de análise e extensão para um grande número de parâmetros utilizados na engenharia de petróleo e gás. Problemas auxiliares com o maior número possível de informações do problema original são apresentados na busca da melhoria da convergência numérica. Por fim, uma rotina computacional é elaborada em FORTRAN para a obtenção da solução numérica. Os resultados numéricos obtidos para os campos são apresentados na forma de tabelas e gráficos para em seguida serem comparados com o máximo de esmero aos parâmetros de casos especiais disponíveis na literatura especializada.

CAPES / Além de estarem presentes na natureza, os escoamentos bifásicos possuem ampla aplicação industrial, sendo encontrados nas áreas química, nuclear, de geração de energia, petrolífera e espacial, onde escoamentos do tipo gás-líquido são os mais comuns. Eles são caracterizados pelo fluxo de duas substâncias imiscíveis, denominadas fases, em um sistema. A caracterização e o estudo destes escoamentos são importantes tanto na realização de projetos, quanto no monitoramento e controle de plantas aonde eles ocorrem. Um dos parâmetros utilizados na caracterização é a fração de vazio, que indica a proporção de gás em escoamentos gás liquido. As fases de um escoamento possuem diferentes propriedades elétricas, como condutividade e permissividade. Dessa forma, caso placas condutoras sejam dispostas ao redor de uma tubulação, pode ser formado um capacitor cuja capacitância dependa das características da mistura que escoa. O objetivo desta dissertação é o desenvolvimento de um sensor capacitivo não invasivo para determinação de fração de vazio em escoamentos bifásicos. Este trabalho apresenta a montagem dos eletrodos, o desenvolvimento de um hardware para detecção de variações na capacitância dos eletrodos e o desenvolvimento de um software para leitura das medições do hardware. A resposta do sensor desenvolvido não depende apenas da proporção volumétrica das fases em seu interior, mas também do padrão de escoamento, ou seja, da forma como elas estão distribuídas. Devido a isso, a resposta do sensor foi avaliada para diversos padrões de escoamento através de simulações do campo elétrico pelo método dos elementos finitos. Com base nos resultados das simulações e nas medidas da eletrônica desenvolvida, valores de fração de vazio foram obtidos para escoamentos ar água em bancadas de teste. Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema capacitivo desenvolvido, o qual pode ser aplicado em estudos aprofundados do escoamento bifásico. / Two-phase flows are not only present in environmental phenomena such as clouds, but are found widespread in industrial applications. Such flows may be described as the stream of two immiscible substances, called phases, in a pipe or vessel. Most usual type of flow is gas-liquid flow and it can be found in chemical, nuclear, power generation, petroleum, and space industry. The study and characterization of such flows are important both in the realization of projects as in the monitoring and control of the facilities in which they occur. An important parameter in flow characterization is the void fraction, which indicates the volumetric amount of gas in gas-liquid flows. The gaseous and liquid phases in a flow usually present different electric properties, such as conductivity and permittivity. If electrodes are arranged around a pipe, they may form a capacitor whose capacitance depend upon the flowing mixture properties and their spatial distribution. The main goal of this work is to develop a non-invasive capacitive probe for void fraction determination in two-phase flow. It describes the assembly of the electrodes, the development of hardware for capacitance measurement, and the development of software that provides access to the measurement data obtained by the hardware. The response of capacitive sensors depends not only on void fraction values, but also on the flow pattern, that is, on the way that phases are distributed inside the pipe. Due to this fact, electric field simulations of the sensor’s response at different flow patterns were performed. Based on the results of the simulations and on the measurement results, void fraction values for air-water flow at controlled conditions was calculated and comparatively evaluated. The results obtained show the good performance of developed capacitive probe which may now be deployed in two-phase flow studies.

PETROBRAS / O presente trabalho aborda o estudo do escoamento líquido-gás na câmara de expansão típica de um separador ciclônico cilíndrico. Para entender o funcionamento do separador, analisa-se primeiro, o campo de velocidades da fase líquida dentro do equipamento. A análise é realizada em função de simulações numéricas e medições experimentais. Em função dos resultados é desenvolvido um modelo para o cálculo da velocidade e a espessura do escoamento de líquido ao longo do separador. O modelo desenvolvido apresenta resultados com boa precisão para uma ampla faixa de condições de operação e dimensões do separador. Na segunda etapa, uma formulação para o seguimento de bolhas é acoplada no modelo monofásico, com a finalidade de avaliar, de modo teórico, a separação de bolhas de um meio líquido contínuo. O estudo de escoamento bifásico permite identificar o comprimento ótimo do separador para garantir a separação das bolhas e também permite entender a influência das condições de operação sobre o processo de separação. Os resultados alcançados devem contribuir para o estado da arte no assunto e fornecer a engenheiros que atuam na área uma ferramenta relativamente simples para o dimensionamento desse tipo de separadores. / This work approaches the study of gas-liquid flow in the expansion chamber of a typical cylindrical cyclonic separator. To understand its operation, first is analyzed the velocity field of the liquid phase inside the equipment. The analysis is based on numerical simulations and experimental measurements. From the results, is developed a model that determines the velocity and the thickness of the liquid film flow along the separator. The model developed produces results with good accuracy for a wide range of operating conditions and dimensions of the separator. In the second step, a formulation for bubble tracking is coupled in the single phase model, in order to evaluate its theoretical separation from a continuous liquid medium. The study of two-phase flow identifies the optimum length of the separator to separate bubbles and also allows understand the influence of operating conditions on the separation process. The results achieved should contribute to the state of the art in the subject and provide engineers working in the area a relatively simple tool for the design of these separators.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

LACIT / Escoamentos bifásicos gás-líquido estão presentes em inúmeras aplicações de engenharia, como por exemplo, na produção de petróleo, onde óleo e gás escoam nas linhas de produção. A monitoração online do escoamento bifásico é de grande importância para operação segura e eficiente dos processos de produção. Assim, nos últimos anos tem-se buscando o desenvolvimento de técnicas simples e de baixo custo para monitoração do escoamento da produção. Das diversas formas que um escoamento bifásico se apresenta, o padrão de escoamento em golfadas é o mais comum nas linhas de produção. Este trabalho apresenta um sistema óptico infravermelho que mede especificamente a velocidade das bolhas de gás em um escoamento em golfadas. Esse sistema emprega componentes optoeletrônicos operando a 950 nm juntamente com uma peça adutora utilizada para manter estáticos o emissor e receptor de luz. O circuito eletrônico responsável pelo funcionamento do sensor é composto por três canais de medição modulados em frequências diferentes. Dessa forma pelo tempo de trânsito que uma bolha leva no percurso entre os canais, pode-se calcular a velocidade da bolha. Essa técnica óptica traz a vantagem de ser um sistema de medição não invasivo e pode ser utilizado para outros fluidos, mas é necessário adaptar o comprimento de onda de trabalho de acordo com as características do fluido a ser detectado. O sistema desenvolvido foi testado em uma planta piloto sob diversas condições operacionais e comparado com sensores de referência (wire-mesh e câmera de alta velocidade). Resultados obtidos mostram o bom desempenho do sistema com relação aos sensores de referência. / Gas-liquid two-phase flows are present in many engineering applications such as in petroleum production, where oil and gas stream in the production lines. The online monitoring of two-phase flow is of great importance for safe and efficient operation of production processes. Thus, in recent years there has been an attempt to develop simple and low cost techniques for flow production monitoring. Among the various ways a two-phase flow may occur in a pipe, the flow pattern known as slug flow is the most common in production lines. This work presents an infrared optical system that specifically measures the translational speed of gas bubbles in slugs flow. This system employs optoelectronic components operating at 950 nm along with a mechanical assembly used to assure optical alignment of light emitters and receivers. The electronic circuitry responsible for operating the sensor consists of three measuring channels modulated at different frequencies, thus by measuring the time lag a gas bubble needs to travel from one channel to another, one can calculate speed of gas bubble. This optical technique has the advantage of being a noninvasive measurement system and can be used for other fluids, but it is necessary to adapt the working wavelength according to the characteristics of the fluid to be detected. The developed system was tested in a pilot plant under various operating conditions and compared with reference sensors (wire-mesh and high-speed camera). Results show the good performance of the system with respect to the reference sensors.

ANP; FINEP; MCT / Os escoamentos bifásicos são encontrados em diversas aplicações industriais, dentre elas na indústria do petróleo como escoamentos gás-líquido em tubulações. O conhecimento da distribuição das fases no escoamento é importante para garantir a operação eficiente e segura de plantas e equipamentos. Na área acadêmica o conhecimento dessa distribuição de fases permite o estudo de fenômenos físicos, além de permitir o desenvolvimento, refinamento e validação de modelos de escoamento. Neste trabalho, foi desenvolvido e investigado o uso de um novo sensor de múltiplas medidas de capacitância para o imageamento direto de escoamentos bifásicos. As medidas são baseadas na diferença na permissividade elétrica entre as fases, ou seja, o sensor pode ser aplicado para investigação de substâncias não-condutivas como óleos e líquidos orgânicos. Com o intuito de aprimorar a geometria do sensor e prever seu comportamento foram realizadas simulações do comportamento elétrico do sensor pelo método dos elementos finitos. O sensor é composto por dois anéis de eletrodos, um anel é o transmissor e o outro anel é o receptor, o qual é segmentado onde cada segmento é individualmente interrogado por uma eletrônica de forma rápida e multiplexada. Desta forma as imagens são geradas e formadas pelos sinais dos eletrodos distribuídos de uma maneira a representar a geometria investigada, o que elimina a necessidade do uso de técnicas de reconstrução de imagens. O sensor é construído em uma placa de circuito impresso flexível que é acoplada na parede interna de uma seção do duto. Uma eletrônica associada é responsável por detectar as variações de capacitância. O sensor desenvolvido, em conjunto com a eletrônica utilizada, foi testado em escoamentos bifásicos estáticos e dinâmicos, horizontais e verticais. As imagens diretas foram geradas para estas diferentes situações, apresentando resultados satisfatórios quando comparado com um sensor de referência. A principal contribuição deste trabalho é a apresentação de uma nova ferramenta capaz de gerar imagens diretas de escoamentos compostos por líquidos não-condutivos sem a necessidade do uso de técnicas de reconstrução de imagens. / Two-phase flow is present in many industrial applications, among them in petroleum industry as gas-liquid flow in pipelines. The knowledge of the phase distribution in the pipe flow is important for the efficiency and safety of the plants. In the academia, the knowledge of this phase distribution allows the understanding of physical phenomena, as well as gives support for the development, refinement and validation of physical models. In this work, a novel capacitive array sensor has been developed and its use was investigated to image two-phase flow. The measuring principle is based on the difference between electrical permittivity of the phases. Therefore the sensor can be applied to electrically non-conductive substances such as oil and organic liquids. Several simulations based on Finite Element Method have been performed to improve the sensor geometry and predict its electrical behavior. The sensor consists of two copper rings being one emitter and one receiver ring. Receiver ring is divided into segments which are individually interrogated by the measuring electronics in a fast and multiplexed manner. In this way, images are directly generated from acquired signals of electrodes, in a way that visually represents the investigated geometry avoiding the use of some image reconstruction technique. The sensor is fabricated in a flexible printed-circuit board which is flush- mounted inside the pipe wall. A measuring electronics is responsible to detect the capacitance changes in the electrodes. The introduced sensor along with the associated electronics has been tested in static and dynamic two-phase flow, both horizontally and vertically. Direct images were generated in these different situations showing satisfactory results when compared to a reference sensor. Main contribution of this work is the introduction of a new measuring tool which is able to image flow (also containing electrically non-conducting fluids) with no need to apply image reconstruction techniques.

PETROBRAS / O presente trabalho aborda o estudo do escoamento líquido-gás na câmara de expansão típica de um separador ciclônico cilíndrico. Para entender o funcionamento do separador, analisa-se primeiro, o campo de velocidades da fase líquida dentro do equipamento. A análise é realizada em função de simulações numéricas e medições experimentais. Em função dos resultados é desenvolvido um modelo para o cálculo da velocidade e a espessura do escoamento de líquido ao longo do separador. O modelo desenvolvido apresenta resultados com boa precisão para uma ampla faixa de condições de operação e dimensões do separador. Na segunda etapa, uma formulação para o seguimento de bolhas é acoplada no modelo monofásico, com a finalidade de avaliar, de modo teórico, a separação de bolhas de um meio líquido contínuo. O estudo de escoamento bifásico permite identificar o comprimento ótimo do separador para garantir a separação das bolhas e também permite entender a influência das condições de operação sobre o processo de separação. Os resultados alcançados devem contribuir para o estado da arte no assunto e fornecer a engenheiros que atuam na área uma ferramenta relativamente simples para o dimensionamento desse tipo de separadores. / This work approaches the study of gas-liquid flow in the expansion chamber of a typical cylindrical cyclonic separator. To understand its operation, first is analyzed the velocity field of the liquid phase inside the equipment. The analysis is based on numerical simulations and experimental measurements. From the results, is developed a model that determines the velocity and the thickness of the liquid film flow along the separator. The model developed produces results with good accuracy for a wide range of operating conditions and dimensions of the separator. In the second step, a formulation for bubble tracking is coupled in the single phase model, in order to evaluate its theoretical separation from a continuous liquid medium. The study of two-phase flow identifies the optimum length of the separator to separate bubbles and also allows understand the influence of operating conditions on the separation process. The results achieved should contribute to the state of the art in the subject and provide engineers working in the area a relatively simple tool for the design of these separators.

Este estudo desenvolve uma técnica para caracterizar o escoamento bifásico, utilizando sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibras ópticas. Esses sensores apresentam características relevantes, a pequena dimensão e a possibilidade de medição com precisão em um grande número de parâmetros em condições diversas. A unidade sensora é constituída por uma rede de Bragg em fibra óptica posicionada transversalmente em relação ao escoamento e fixado nas paredes do tubo. A pressão hidrodinâmica aplicada pelo escoamento de líquido ou pelo escoamento de líquido e gás induz deformação na fibra óptica, a qual pode ser detectada pela rede de Bragg. Como a pressão aplicada está diretamente relacionada com a vazão mássica, é possível estabelecer uma relação usando o deslocamento do comprimento de onda da ressonância da rede de Bragg para determinar a vazão mássica quando a velocidade de escoamento é bem conhecida. No escoamento bifásico, há uma alteração significativa na força aplicada na fibra óptica, a qual contabiliza as densidades distintas das referidas substâncias. Logo, a deformação da fibra óptica e a correspondente mudança de comprimento de onda de rede de Bragg serão muito diferentes quando no escoamento houver uma bolha de ar ou um pistão de líquido, permitindo, assim a sua detecção à medida que o escoamento flui através do tubo. Devido a sua capacidade de multiplexação e versatilidade, o uso de sensores de redes de Bragg em fibra óptica mostrou ser particularmente adequado para esta aplicação. Uma ferramenta de detecção de 18 sensores quase distribuídos uniformemente ao longo do tubo foi desenvolvida tornando possível a caracterização do escoamento, bem como o acompanhamento das bolhas de ar ao longo de uma grande parte do escoamento. Os ensaios foram realizados em uma planta piloto de escoamento bifásico gás-líquido, onde diversas condições operacionais foram geradas e analisadas. A técnica desenvolvida foi validada através de comparações com modelos termodinâmicos empíricos disponíveis na literatura e também com o sensor wire-mesh, apresentando boa concordância com os valores de referência. O estudo viabiliza a construção futura de sensores para serem empregados na obtenção de parâmetros importantes nos modelos de escoamento multifásico, abrindo muitas oportunidades para ferramentas de medição de laboratório e aplicações de campo. / This study developed a technique to characterize the two phase flow using optical fiber Bragg grating strain sensors. These sensors have features such as small size, flexibility, allowing to accurately measure a number of parameters under adverse conditions. The sensor unit consists of optical fiber Bragg grating positioned transversely to the flow and fixed in the pipe walls. The hydrodynamic pressure applied by the liquid or air/liquid flow to the optical fiber induces deformation that can be detected by the optical fiber Bragg grating. Given that the applied pressure is directly related to the mass flow it is possible to establish a relationship using the grating resonance wavelength shift to determine the mass flow when the flow velocity is well known. For two phase flows of air and liquid there is a significant change in the force applied to fiber that is accounted for the very distinct densities of these substances. As a consequence the optical fiber deformation and the correspondent grating wavelength shift as function of the flow will be very different for an air bubble or a liquid slug allowing their detection as they flow through the pipe. Due to its versatility and multiplexing capabilities optical fiber Bragg gratings are particularly suitable for this application. The experiments were performed in a pilot plant using air-water two-phase flows, in which various operating conditions were generated and analyzed. A quasi-distributed sensing tool with 18 sensors evenly spread along the pipe is developed and characterized making possible the characterization of the flow as well as the tracking of the bubbles over a large section of the test bed. The technique developed was validated through comparisons with available empirical mechanical models and also with the wire- mesh sensor, showing good agreement with the reference values. The study allows for the future construction of sensors that can be used to assist empirical models of multiphase flows, and open up plenty of opportunities to both laboratory measurement tools as well as field applications.

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Antonio Andre Chivanga Barros, Henry França Meier / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-05T18:14:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_Cintia_D.pdf: 3816439 bytes, checksum: e39afd5653e2802b28899a3c09f4753c (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Grande parte dos estudos envolvendo colunas de destilação está fundamentada por modelos macroscópicos de conservação de massa e de energia. Exemplo disto são os modelos de estágios de equilíbrio e de não-equilíbrio. Nestes, os aspectos fluidodinâmicos do escoamento são restritos e orientados à medição de parâmetros macroscópicos. Porém, graças aos avanços introduzidos pelo emprego das técnicas da fluidodinâmica computacional (CFD), a análise de processos empregando uma abordagem microscópica tornou-se mais sofisticada e precisa. Além disto, há necessidade de trabalho experimental com o propósito de validar modelos e métodos em CFD e medir outros parâmetros ao longo do equipamento. Dentro deste contexto, este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia de caráter numérico e experimental que possibilite o estudo do escoamento líquido-vapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. Para tanto, objetiva-se a proposição de um modelo microscópico de conservação da quantidade de movimento, em condições de escoamento turbulento, sob a influência da fase vapor, e de uma metodologia para a aquisição de dados experimentais. A metodologia numérica consistiu em iniciar com um estudo aprofundado do escoamento com superfície livre, utilizando um módulo experimental de hidráulica, seguido do estudo do escoamento monofásico na superfície de um prato perfurado. Estudos em uma coluna de bolhas permitiram a obtenção de experiência com modelos e métodos associados ao escoamento multifásico. Finalmente, foram realizados estudos sobre o escoamento líquido-vapor em pratos perfurados com a proposição de um modelo 3-D e homogêneo. Na metodologia de solução, o principal objetivo esteve relacionado às características numéricas, tais como: fatores de relaxação, esquemas de interpolação, integração temporal, acoplamento pressão-velocidade, entre outras. A metodologia experimental consistiu no projeto e construção de uma coluna de destilação para a simulação física do escoamento líquido-vapor em um estágio a frio, sendo as informações microscópicas obtidas por meio do emprego da técnica de anemometria térmica. Técnicas de visualização do escoamento foram empregadas como ferramenta de análise qualitativa na identificação de padrões de escoamento, como mecanismo de apoio à realização de medidas experimentais e, finalmente, como instrumento complementar de análise para facilitar a interpretação dos resultados. A metodologia numérica permitiu a avaliação de estratégias de solução de modelos e métodos em CFD, além do desenvolvimento de um modelo homogêneo capaz de predizer o escoamento líquidovapor, em nível microscópico, em um prato perfurado de uma coluna de destilação. A metodologia experimental permitiu a caracterização do escoamento em um tanque retangular, entretanto, a técnica de anemometria térmica apresentou limitações quando da aplicação no escoamento bifásico. Na análise dos resultados obtidos concluiu-se que há a ocorrência de diferentes padrões de escoamento no interior de uma coluna de destilação, de acordo com a vazão da fase gás e da geometria do prato, sendo o escoamento não uniforme. Além disto, há uma tendência do fluxo de líquido próximo à parede retroceder, o que resulta no fenômeno de circulação. Outra observação importante foi que a fase vapor, em contato com o líquido fluindo horizontalmente, obtém uma energia cinética na direção do fluxo de líquido / Abstract: Greater part of researches involving distillation columns is based on macroscopic models of mass and energy conservation. Examples are the equilibrium and non-equilibrium stage models. In these cases, the fluid dynamics characteristics are restricted in measuring macroscopic parameters. However, advances introduced by fluid dynamic techniques made possible a more sophisticated and accurate process analysis using a microscopic approach. Researches in this area are indispensable and more experimental studies is necessary in order to validate models and methods in CFD and measure other parameters along the equipment. Based on these statements, this work takes aim the development of a numerical and experimental methodology that enables the study of liquid-vapour flow, in a microscopic level, on a sieve plate of a distillation column. It is proposed the development, implementation and application of a microscopic model for momentum conservation subjected to turbulent flow of the vapour phase, complemented by the development of an experimental methodology for data acquisition in an apparatus in laboratory scale. The numerical methodology consisted to make a deep study of flow with free surface using a hydraulic modulus and a study of a single-phase flow on a sieve plate. Studies in a bubble column allowed building knowledge for modelling momentum transfer phenomenon in multiphase flow. Finally, studies about the liquid-vapour flow in sieve plates were carried out with development of a 3-D and homogeneous model. The main objective in the solution methodology was related to numerical characteristics, such as: relaxation factors, interpolation schemes, temporal integration and pressure-velocity coupling. The experimental methodology consisted in the design and building of a distillation column that simulates the liquid-vapour in a sieve plate. The information related to velocity profiles were obtained by means of definition and implementation of the thermal anemometry technique. During the numerical and experimental studies, flow visualization techniques have also been employed in different ways as a tool for qualitative analysis of different flow patterns, as an assistance to the experimental measures, and finally, as a complement to the analysis, supporting the interpretation of results. The numerical methodology allowed the evaluation of models and methods strategies in CFD, and the development of a homogeneous model able to predict the liquid-vapour flow in a sieve plate of a distillation column. On the other hand, the experimental methodology allowed the evaluation of flow inside a rectangular reservoir, but the thermal anemometry technique presented limitations in the multiphase flow. It was concluded that there is the occurrence of different flow patterns inside the distillation column, according to the gas flow and plate geometry, and the flow is not uniform in the plate surface. Besides, there is a tendency of the liquid flow to go back near the wall, resulting in a circulating zone. Other observation was that the vapour phase, contacting with the horizontally flowing liquid, gains a kinetic energy in the direction of liquid flow / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química