Made available in DSpace on 2014-06-12T18:07:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7859_1.pdf: 1107680 bytes, checksum: 47133b32ade9f9a32181a8b069f4ade5 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Elevated levels of nitrogen oxides (NOX) from flue gases have recently become a major issue in industrial environment. This causes that the laws are becoming each time more demanding. The most employed reduction processes are: absorption by an aqueous acidic solution and catalytic gas-solid reduction. The nitrogen oxides absorbed into water leads to the formation of nitrous and nitric acid. The nitrous acid is unstable and hydrolyses into nitric acid and nitrogen monoxide which is more pollutant then than nitrogen oxides (NOX). But it may be absorbed by a sulfamic acid solution in a mechanically stirred closed reactor, where the products of this reaction are sulfuric acid and N2 which can then be directly released into the atmosphere. The present study performed the reduction of nitrous acid (0.00143 to 0.00333 kmolm-3) by an amimo sulfamic acid solution (0.00143 to 0.00500 kmolm-3). First the favorable operational conditions were analyzed (stoiquiometric ratio, agitator speed and temperature). From the results the apparent kinetic constant was obtained ( K = 0.00385 kmol.m-3.s-1) e the gasliquid mass transfer coefficients (kLa = 0.00508 s-1; 0.00738 s-1; 0.01272 s-1; 0.03093 s-1; 0.04706 s-1; 0.05272 s-1) varied with the respective agitation speed (200rpm; 300rpm; 400rpm; 600rpm; 700rpm), where the operational conditions were T = 301 K, M = 2.5 and pH = 2.0

O trabalho apresenta uma investigação sobre a influência da umidade atmosférica no processo de absorção de oxigênio atmosférico por corpo de água através de sua superfície líquida livre. Os experimentos realizados em laboratório consistem na reoxigenação de uma massa de água, contida em um tanque cilíndrico, submetida à agitação mecânica. A atmosfera que reabastece de oxigênio a massa líquida é controlada e os ensaios são conduzidos com vários níveis de umidade do ar, o que provoca diferentes taxas de evaporação. Simultaneamente, determinam-se os coeficientes de reoxigenação, K2 (h-1), em cada experimento. Investiga-se neste trabalho a correlação entre esses dois parâmetros. O processo de reoxigenação é analisado inicialmente com o uso de metodologia clássica baseada em modelos matemáticos tradicionais (possivelmente inadequados). Propõe-se neste trabalho, um modelo original para essa mesma análise. / The influence of the atmospheric humidity on the process of absorption of oxygen by a water body through its free surface is presented herein. Laboratory experiments were run for the reoxygenation of a water mass kept in a cylindrical vessel under mechanical agitation. The quality of the atmospheric air transferring oxygen to water is controlled and the tests are run with several levels of air humidity, what renders different rates of evaporation. The corresponding coefficients of reaeration K2 (h-1) are determined for each experiment. The correlation between these two latter parameters is investigated. The process of reoxygenation is analyzed initially using a classical methodology based on traditional mathematical models (possibly inadequate). An original model for the same analysis is proposed in this work.

Em inúmeras aplicações práticas da engenharia a camada interfacial entre dois fluidos é de extrema importância para a correta caracterização do escoamento. Especificamente na Engenharia Ambiental e Hidráulica na interface entre o ar e a água existem propriedades capazes de relacionar a aeração e oxigenação. Focado na dinâmica dos processos turbulentos, o estudo proposto se aplica a problemas de sub-pressão em vertedores e visa analisar a troca de gases da interface ar-água em situações de fases dispersas e avaliar a qualidade da água a jusante dos mesmos. O objetivo maior é descrever a relação entre o comportamento da superfície da água, o desenvolvimento da camada limite e os regimes de escoamento de acordo com a vazão volumétrica. Para representar a distribuição da fração de vazios da fase dispersa, foram usados os princípios da formulação dos escoamentos em vertedores escalonados e da formulação para enlaçamento de ar. As argumentações e justificativas das formulações propostas para os perfis de concentrações foram baseadas na distribuição da fração de vazios prevista numericamente. A abordagem numérica do problema fluidodinâmico diferencia da maioria dos estudos concentrados na literatura, por estar baseada na quebra da superfície livre. / In many pratical aplications of engineering the interfacial layer between two fluids has a strong relevance in the process of right measurements of the flow. Espeficically in the enviromental and hydraulics engineering the interface between air and water is the property related with oxigen and areation of the flow. With focus on the dynamics of the turbulent processes, the proposed study is applied to sub-pressure problems in spillways. It investigates the gases exchange in the air- water interface in the dispersed phase and evaluate the water quality downstream. The major goal is to describe a relation between the boundary layer development and the flow regimes with discharge. To represent the distribution of void fractions of the dispersed phase, the physical formulation concepts of stepped spillways and entrapped air were used. The arguments and reasons to justify the proposed concentration profile formulation are based on the numerical provided void fraction distribution. The results as well as the physical model are in good agrement with described literature data. The Numerical approach of the fluid dynamics problem differs from major of described literature studies because it is based on the surface breakup.

Esse trabalho apresenta um modelo termodinâmico de uma bomba multifásica do tipo duplo parafuso. Para uma dada condição de operação, o modelo calcula a potência consumida, as condições do fluido na descarga e o perfil de pressão ao longo da bomba. Ao invés de simular diretamente o escoamento dentro da bomba, simulou-se os processos que ocorrem dentro das suas câmaras. Para tanto, dividiu-se o processo de bombeamento multifásico em uma seqüência de processos simples, facilitando-se a construção do modelo no simulador de processos Hysys.Process v2.1. Os resultados de potência e temperatura de descarga obtidos com a simulação mostram uma boa concordância com valores experimentais, principalmente para FVG’s baixos. Para FVG’s elevados, o modelo passa a superestimar a potência consumida indicando que as fendas, nesses casos, já não se encontram totalmente preenchidas com líqüido. Dos resultados obtidos para o refluxo, conclui-se que, das equações sugeridas na literatura, aquelas para escoamento turbulento liso são mais adequadas para os números de Reynolds envolvidos. O perfil de pressão e a vazão de refluxo quando o escoamento é multifásico aproxima-se qualitativamente das medições experimentais. Estudou-se a influência de diversos parâmetros na eficiência exergética da bomba. Os resultados mostram que a otimização da eficiência depende das condições de operação da bomba: FVG, tipo de líqüido, diferença de pressão, entre outros. / The goal of this project was to develop a thermodynamic model of a twin-screw multiphase pump. With given operation conditions the model can determine the absorbed power, discharge conditions and the pressure profile along the screw. An alternative approach was suggested to overcome the complex flow problem and the processes inside the pump were simulated instead of direct simulation of the flow. For this purpose, the multiphase pumping process was divided in a sequence of simple processes so the model could be developed in an easier way. The power and temperature values calculated by the model are in good agreement with experimental data, mainly when the gas fraction is low. With higher gas fractions, the model overestimates the absorbed power indicating that screw gaps are not completely filled with liquid anymore. Concerning about the backflow rate, the results show that the equations for turbulent flow in smooth ducts fits better the Reynolds number range in the gaps. The pressure profile and backflow rate for multiphase flow agree qualitatively with experimental results. The influence of several parameters in the exergetic eficiency of the pump were analysed and results show that the efficiency optimization depends on pump operation conditions: gas fraction, liquid type, pressure difference and others.

Em inúmeras aplicações práticas da engenharia a camada interfacial entre dois fluidos é de extrema importância para a correta caracterização do escoamento. Especificamente na Engenharia Ambiental e Hidráulica na interface entre o ar e a água existem propriedades capazes de relacionar a aeração e oxigenação. Focado na dinâmica dos processos turbulentos, o estudo proposto se aplica a problemas de sub-pressão em vertedores e visa analisar a troca de gases da interface ar-água em situações de fases dispersas e avaliar a qualidade da água a jusante dos mesmos. O objetivo maior é descrever a relação entre o comportamento da superfície da água, o desenvolvimento da camada limite e os regimes de escoamento de acordo com a vazão volumétrica. Para representar a distribuição da fração de vazios da fase dispersa, foram usados os princípios da formulação dos escoamentos em vertedores escalonados e da formulação para enlaçamento de ar. As argumentações e justificativas das formulações propostas para os perfis de concentrações foram baseadas na distribuição da fração de vazios prevista numericamente. A abordagem numérica do problema fluidodinâmico diferencia da maioria dos estudos concentrados na literatura, por estar baseada na quebra da superfície livre. / In many pratical aplications of engineering the interfacial layer between two fluids has a strong relevance in the process of right measurements of the flow. Espeficically in the enviromental and hydraulics engineering the interface between air and water is the property related with oxigen and areation of the flow. With focus on the dynamics of the turbulent processes, the proposed study is applied to sub-pressure problems in spillways. It investigates the gases exchange in the air- water interface in the dispersed phase and evaluate the water quality downstream. The major goal is to describe a relation between the boundary layer development and the flow regimes with discharge. To represent the distribution of void fractions of the dispersed phase, the physical formulation concepts of stepped spillways and entrapped air were used. The arguments and reasons to justify the proposed concentration profile formulation are based on the numerical provided void fraction distribution. The results as well as the physical model are in good agrement with described literature data. The Numerical approach of the fluid dynamics problem differs from major of described literature studies because it is based on the surface breakup.

Esse trabalho apresenta um modelo termodinâmico de uma bomba multifásica do tipo duplo parafuso. Para uma dada condição de operação, o modelo calcula a potência consumida, as condições do fluido na descarga e o perfil de pressão ao longo da bomba. Ao invés de simular diretamente o escoamento dentro da bomba, simulou-se os processos que ocorrem dentro das suas câmaras. Para tanto, dividiu-se o processo de bombeamento multifásico em uma seqüência de processos simples, facilitando-se a construção do modelo no simulador de processos Hysys.Process v2.1. Os resultados de potência e temperatura de descarga obtidos com a simulação mostram uma boa concordância com valores experimentais, principalmente para FVG’s baixos. Para FVG’s elevados, o modelo passa a superestimar a potência consumida indicando que as fendas, nesses casos, já não se encontram totalmente preenchidas com líqüido. Dos resultados obtidos para o refluxo, conclui-se que, das equações sugeridas na literatura, aquelas para escoamento turbulento liso são mais adequadas para os números de Reynolds envolvidos. O perfil de pressão e a vazão de refluxo quando o escoamento é multifásico aproxima-se qualitativamente das medições experimentais. Estudou-se a influência de diversos parâmetros na eficiência exergética da bomba. Os resultados mostram que a otimização da eficiência depende das condições de operação da bomba: FVG, tipo de líqüido, diferença de pressão, entre outros. / The goal of this project was to develop a thermodynamic model of a twin-screw multiphase pump. With given operation conditions the model can determine the absorbed power, discharge conditions and the pressure profile along the screw. An alternative approach was suggested to overcome the complex flow problem and the processes inside the pump were simulated instead of direct simulation of the flow. For this purpose, the multiphase pumping process was divided in a sequence of simple processes so the model could be developed in an easier way. The power and temperature values calculated by the model are in good agreement with experimental data, mainly when the gas fraction is low. With higher gas fractions, the model overestimates the absorbed power indicating that screw gaps are not completely filled with liquid anymore. Concerning about the backflow rate, the results show that the equations for turbulent flow in smooth ducts fits better the Reynolds number range in the gaps. The pressure profile and backflow rate for multiphase flow agree qualitatively with experimental results. The influence of several parameters in the exergetic eficiency of the pump were analysed and results show that the efficiency optimization depends on pump operation conditions: gas fraction, liquid type, pressure difference and others.

O trabalho apresenta uma investigação sobre a influência da umidade atmosférica no processo de absorção de oxigênio atmosférico por corpo de água através de sua superfície líquida livre. Os experimentos realizados em laboratório consistem na reoxigenação de uma massa de água, contida em um tanque cilíndrico, submetida à agitação mecânica. A atmosfera que reabastece de oxigênio a massa líquida é controlada e os ensaios são conduzidos com vários níveis de umidade do ar, o que provoca diferentes taxas de evaporação. Simultaneamente, determinam-se os coeficientes de reoxigenação, K2 (h-1), em cada experimento. Investiga-se neste trabalho a correlação entre esses dois parâmetros. O processo de reoxigenação é analisado inicialmente com o uso de metodologia clássica baseada em modelos matemáticos tradicionais (possivelmente inadequados). Propõe-se neste trabalho, um modelo original para essa mesma análise. / The influence of the atmospheric humidity on the process of absorption of oxygen by a water body through its free surface is presented herein. Laboratory experiments were run for the reoxygenation of a water mass kept in a cylindrical vessel under mechanical agitation. The quality of the atmospheric air transferring oxygen to water is controlled and the tests are run with several levels of air humidity, what renders different rates of evaporation. The corresponding coefficients of reaeration K2 (h-1) are determined for each experiment. The correlation between these two latter parameters is investigated. The process of reoxygenation is analyzed initially using a classical methodology based on traditional mathematical models (possibly inadequate). An original model for the same analysis is proposed in this work.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMFPM.pdf: 3732216 bytes, checksum: a0d899e7f1b4888ae00c365ec148c4f8 (MD5) Previous issue date: 2004-03-02 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work, the heat transfer in packed bed with gas-liquid co-current downflow and upflow was investigated. The influence of hydrodynamic factors, of the size and shape of particles, of the length of the thermal section and of the direction of flow on thermal parameters were evaluated. At first, a study about the hydrodynamic behavior (flow regimes and liquid saturation) were carried out. It was verified that flow regimes and liquid saturation were affected by gas and liquid flow rates and particle characteristics (shape and size). Five pseudo-homogeneous models were evaluated in order to obtain the thermal parameters. The traditional model to two-parameters was chosen because it presented good fits and more reliable parameters. The heat transfer was higher in upflow than in downflow. The temperature profiles obtained were flat in some conditions in upflow. The wall-heat transfer coefficient (hW) was affected by the length of the thermal section and mainly, by liquid flow rate in both downflow and upflow. The radial effective thermal conductivity (kr) also was affected by the length of the thermal section and liquid flow rate. The gas flow rate affected this parameter in upflow. Besides, the particle characteristics, shape and mainly size, affected kr. / Neste trabalho foi estudada a transferência de calor em leito fixo com escoamento gás-líquido concorrente vertical, avaliando-se a influência de fatores como a fluidodinâmica, o tamanho e a forma da partícula, o comprimento da seção térmica e o sentido do escoamento sobre os parâmetros térmicos. Primeiramente realizou-se um estudo sobre o comportamento fluidodinâmico do leito, através da determinação dos regimes de escoamento e da saturação de líquido. Neste estudo verificou-se que há influência das vazões dos fluidos e das características do recheio sobre as características fluidodinâmicas avaliadas. Para a obtenção dos parâmetros térmicos foram avaliados cinco modelos pseudo-homogêneos e optou-se pelo modelo tradicional a dois parâmetros por apresentar bons ajustes e parâmetros térmicos mais confiáveis. Verificou-se que a transferência de calor foi mais intensa no escoamento ascendente onde inclusive foram obtidos perfis planos de temperatura. O coeficiente de troca térmica na parede (hP) foi influenciado pelo comprimento da seção térmica e principalmente, pela vazão de líquido em ambos sentidos de escoamento. A condutividade térmica efetiva radial (kr) também foi influenciada pelo comprimento da seção térmica e pela vazão de líquido. A vazão de gás também apresentou-se importante sobre esse parâmetro no escoamento ascendente. Além disso, as características do recheio, forma e principalmente o tamanho da partícula, influenciaram este parâmetro.

Operações de produção de petróleo, que utilizam sistemas de bombeamento centrífugo submerso, constantemente encontram a presença de gás livre nos poços, o que pode gerar ou agravar problemas como cavitação e falhas dinâmicas, quando o gás é succionado pela bomba. O separador gravitacional do tipo shroud invertido é uma solução possível para este problema nos casos de operação em poços direcionais de petróleo. O trabalho tem como objetivo apresentar um estudo do diâmetro das bolhas que ocorrem no interior de um separador gravitacional gás-líquido do tipo shroud invertido. A finalidade é o aprimoramento de um modelo fenomenológico do funcionamento deste tipo de separador, aplicado à indústria petrolífera, sendo que o modelo fenomenológico garante total separação de gás, fornecidas determinadas condições. O modelo prevê, através do cálculo da energia cinética turbulenta, o tamanho médio das bolhas carregadas para o seio do líquido por aeração no duto anular. Partindo de estudos anteriores, uma verificação do modelo fenomenológico foi feita utilizando um aparato experimental com misturas bifásicas ar-água e ar-óleo em três diferentes inclinações. O aparato possui dimensões radiais reais de um poço de petróleo offshore. Foi utilizado um sensor 3D ORM para a medição do tamanho médio (sauter) das bolhas arrastadas pelo líquido até a entrada do tubo de produção, em diversas combinações de vazões da mistura água-ar. Esta medição permite o ajuste das correlações que regem o modelo fenomenológico, no que diz respeito às equações dependentes do diâmetro teórico de bolhas arrastadas pela fase líquida. As descobertas provenientes deste estudo foram implementadas em um código computacional que será utilizado pela PETROBRAS, financiadora do projeto, para suas operações de bombeamento. / Oil mining operations powered by centrifugal submersible pumping systems suffer constant setbacks due to the presence of free gas in wells. Decompression in the reservoir liberates this gas in the form of bubbles that, upon reaching the suction end of the pump, cause cavitation and dynamic failures resulting in production and equipment losses. The Inverted-shroud gravitational separator is a possible solution to this problem. This work presents a study on diameters of bubbles that occur inside this separator. The goal is the improvement of the understanding of this kind of separator as well as the enhancement of a previously reported phenomenological model, which ensures total gas separation when the separator is installed in directional wells and under specific operational conditions. Empirically adjusted correlations are used to ensure that all entrained bubbles do not reach the pump. The model was tested for two-phase flows of water-air and oil-air mixtures using three different inclinations. Tests were performed with an experimental apparatus that simulates a pilot-scale well casing with an inverted-shroud separator installed. A 3D ORM particle-size sensor was employed in order to measure the average (sauter) diameter of entrained bubbles that are dragged by the liquid flow towards the end of the production tube. This investigation will be used to improve the reliability of the phenomenological model and reduce its dependency on a theoretical prediction of the bubble size. The findings were incorporated to the final version of an in-house gas separator design software developed at the request of PETROBRAS, the project funder and Inverted-shroud patent holder, for usage on its oil mining operations.

O presente trabalho apresenta um estudo associado à separação de gás para escoamento gás-líquido em um duto anular inclinado. Esse tipo de escoamento e geometria são encontrados em separadores de gás do tipo shroud invertido na indústria de petróleo quando utilizadas técnicas de bombeamento para a exploração de poços. A presença de gás livre a montante da bomba é uma das maiores limitações dos sistemas de bombeamento, por acarretar cavitação e falhas dinâmicas nos equipamentos. O presente estudo tem por objetivo garantir a separação total de gás livre a montante da bomba através da proposição de um separador do tipo shroud invertido em tubulação inclinada para aplicação na exploração de petróleo em poços direcionais. Um estudo experimental com ar e água como fluidos de trabalho a pressão quase atmosférica foi desenvolvido visando a compreensão da fenomenologia do separador shroud invertido. Foram observados escoamentos em duto anular do tipo: bifásico gás-líquido ascendente, monofásico em canal livre e bifásico gás-líquido descendente devido ao fenômeno de aeração; foram coletados também dados de eficiência de separação em função do ângulo de inclinação, vazão do líquido e queda de pressão entre o shroud e a saída do tubo de produção. Encontrou-se uma variável de extrema importância no fenômeno de separação até agora não reportada na literatura: o nível do anular interno do shroud (NAI). Um modelo fenomenológico que prevê a separação total do gás foi desenvolvido a partir da interpretação dos fenômenos físicos observados experimentalmente. Uma correlação inédita para a modelagem do fenômeno de dissipação de energia cinética turbulenta vinculado à separação do gás é proposta. O modelo foi validado qualitativamente com dados da literatura e ajustado com os dados coletados neste trabalho, mostrando boa concordância. / This paper presents a study associated with gas separation in an inclined gas-liquid annular-duct flow. This type of flow and geometry are found in shroud-inverted gas separators applied to petroleum industries when using pumping technique for oil production. High void fraction at the pump suction of is one of the most important limitations of the SCP technique, causing cavitation and dynamics failures in the equipment. The present study aims to provide a solution for the total gas separation through the use of an innovative inclined inverted-shroud separator for directional wells. An experimental study, where air and water at near atmospheric pressure constituted the working fluids, was carried out to understand the phenomenology of the inclined inverted-shroud separator. Different annular-duct flows were observed: upward gas-liquid flow, single-phase open channel flow, downward gas-liquid flow due to the phenomenon of aeration; also new data of separation efficiency were collected as a function of inclination angle, liquid flow rate and pressure drop between the shroud and production pipe outlet. One of the most significant findings is that the liquid level of the inner annular channel (NAI) of the shroud is a very important variable in the phenomenon of separation; so far this was not reported in the literature. Based on the observations, a phenomenological model that predicts total gas separation is proposed. A new correlation for the modeling of the dissipation of turbulent kinetic energy associated with the gas separation is presented. The model was qualitatively compared with available data from the literature and quantitatively adjusted against the new experimental data obtained in this work, and the agreement was quite good.