O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.

A economia mundial é fortemente dependente da disponibilidade de óleo, no entanto as reservas de óleo leve, mais atrativas ao mercado, tendem nos próximos anos ao esgotamento, trazendo à luz as reservas de óleo pesado para atender as demandas do mercado. No entanto, os processos associados ao transporte e processamento desses óleos viscosos consomem muita energia, impondo um grande desafio para a indústria do petróleo. Nesse contexto, se transportar óleos viscosos com água através de um escoamento bifásico em padrão Core Annular Flow (CAF) é muito promissor. Nessa prática, uma película anular de água envolve o núcleo que contém o óleo, minimizando o contato entre este e a parede do duto e reduzindo as perdas de energia por atrito. Visou o presente estudo mapear os padrões de escoamento de óleo pesado com água em dutos horizontais e verticais, mensurar os fatores de redução de potência e do diferencial de pressão associados à um trecho reto e à uma válvula de gaveta aberta e determinar o holdup para avaliar a eficiência do CAF. Para atingir esses objetivos, uma unidade de bancada foi construída, consistindo de tanques de armazenamento e de separação da mistura. Interligando os tanques, foram dispostos dutos transparentes com 27 mm de diâmetro interno e 8 m de extensão, contendo duas seções horizontais e uma vertical para análise e diversos acessórios hidráulicos. O óleo utilizado possuía viscosidade de 3200 cP a 22 °C e densidade de 945 kg/m3 . Os resultados experimentais demonstraram haver diversas configurações de fluxo segundo o posicionamento do duto, e que a diferença de densidade dos fluidos descentraliza o óleo nos escoamentos horizontais. Além disso, o trecho vertical intercalado entre os trechos horizontais se comportou como um retificador de fluxo, melhorando os índices do CAF. Foi determinado um fator de redução de perda de pressão máximo de 250 vezes para o trecho reto e de 12 vezes para a válvula de gaveta. O fator global máximo de redução de potência foi mensurado em 2,2 vezes. Concluiu-se que, para um trecho reto, o projeto de instalações hidráulicas para o escoamento bifásico deve considerar 15 % a mais de perda de carga em relação ao escoamento de água pura. Já para a válvula de gaveta, esse fator deve ser de 700 %. / The world economy is strongly dependent on the availability of oil, however, light oil reserves, more market-oriented, tend to deplete in coming years, bringing to light the heavy oil reserves to meet the demands of the market. However, the processes associated with the transportation and production of these viscous oils consume a lot of energy and pose a great challenge for the oil industry. In this context, transporting viscous oils through a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern (CAF) is very promising. In this method, an annular water film surrounds the oil-containing core, minimizing its contact with the pipe wall and reducing energy losses by friction. The aim of the present work was to map the flow patterns of a biphasic oil-water flow in horizontal and vertical pipes, to evaluate the overall energy savings provided by the CAF technique, to measure the pressure gradient reduction factor along the pipe and in a gate valve and to determine the holdup as a way of assessing the energy efficiency of the biphasic oil-water flow transport. To achieve these goals, an experimental facility was built and it consisted of cargo and separation tanks. Connecting these tanks, approximately 8 m of 27mm-ID clear transparent PVC pipes, two horizontal and one vertical sections and various hydraulic fittings. It was used in the tests lubricating oil with 3200 cP and 945 kg/m3 at 22°C and distilled water. The experimental results showed that there are several flow configurations according to the pipe positioning, and that the oil and the water density difference decentralizes the oil core in horizontal flows. In addition, the vertical section placed between the two horizontal ones behaved like a flow rectifier, improving the core annular flow energy savings basis. An average pressure gradient reduction factor of 250 times in a straight pipe and of 12 times in a gate valve was determined. The maximum overall power reduction factor was measured as being 2.2 times. It was concluded that the design of a hydraulic installation to transport heavy oil with water in a core annular pattern should consider a pressure drop increase by a factor of 15 % in a straight pipe and by a factor of 700 % in a gate valve based on the monophasic water transport at similar flow rates.

A economia mundial é fortemente dependente da disponibilidade de óleo, no entanto as reservas de óleo leve, mais atrativas ao mercado, tendem nos próximos anos ao esgotamento, trazendo à luz as reservas de óleo pesado para atender as demandas do mercado. No entanto, os processos associados ao transporte e processamento desses óleos viscosos consomem muita energia, impondo um grande desafio para a indústria do petróleo. Nesse contexto, se transportar óleos viscosos com água através de um escoamento bifásico em padrão Core Annular Flow (CAF) é muito promissor. Nessa prática, uma película anular de água envolve o núcleo que contém o óleo, minimizando o contato entre este e a parede do duto e reduzindo as perdas de energia por atrito. Visou o presente estudo mapear os padrões de escoamento de óleo pesado com água em dutos horizontais e verticais, mensurar os fatores de redução de potência e do diferencial de pressão associados à um trecho reto e à uma válvula de gaveta aberta e determinar o holdup para avaliar a eficiência do CAF. Para atingir esses objetivos, uma unidade de bancada foi construída, consistindo de tanques de armazenamento e de separação da mistura. Interligando os tanques, foram dispostos dutos transparentes com 27 mm de diâmetro interno e 8 m de extensão, contendo duas seções horizontais e uma vertical para análise e diversos acessórios hidráulicos. O óleo utilizado possuía viscosidade de 3200 cP a 22 °C e densidade de 945 kg/m3 . Os resultados experimentais demonstraram haver diversas configurações de fluxo segundo o posicionamento do duto, e que a diferença de densidade dos fluidos descentraliza o óleo nos escoamentos horizontais. Além disso, o trecho vertical intercalado entre os trechos horizontais se comportou como um retificador de fluxo, melhorando os índices do CAF. Foi determinado um fator de redução de perda de pressão máximo de 250 vezes para o trecho reto e de 12 vezes para a válvula de gaveta. O fator global máximo de redução de potência foi mensurado em 2,2 vezes. Concluiu-se que, para um trecho reto, o projeto de instalações hidráulicas para o escoamento bifásico deve considerar 15 % a mais de perda de carga em relação ao escoamento de água pura. Já para a válvula de gaveta, esse fator deve ser de 700 %. / The world economy is strongly dependent on the availability of oil, however, light oil reserves, more market-oriented, tend to deplete in coming years, bringing to light the heavy oil reserves to meet the demands of the market. However, the processes associated with the transportation and production of these viscous oils consume a lot of energy and pose a great challenge for the oil industry. In this context, transporting viscous oils through a liquid-liquid two-phase oil-water flow in a core annular pattern (CAF) is very promising. In this method, an annular water film surrounds the oil-containing core, minimizing its contact with the pipe wall and reducing energy losses by friction. The aim of the present work was to map the flow patterns of a biphasic oil-water flow in horizontal and vertical pipes, to evaluate the overall energy savings provided by the CAF technique, to measure the pressure gradient reduction factor along the pipe and in a gate valve and to determine the holdup as a way of assessing the energy efficiency of the biphasic oil-water flow transport. To achieve these goals, an experimental facility was built and it consisted of cargo and separation tanks. Connecting these tanks, approximately 8 m of 27mm-ID clear transparent PVC pipes, two horizontal and one vertical sections and various hydraulic fittings. It was used in the tests lubricating oil with 3200 cP and 945 kg/m3 at 22°C and distilled water. The experimental results showed that there are several flow configurations according to the pipe positioning, and that the oil and the water density difference decentralizes the oil core in horizontal flows. In addition, the vertical section placed between the two horizontal ones behaved like a flow rectifier, improving the core annular flow energy savings basis. An average pressure gradient reduction factor of 250 times in a straight pipe and of 12 times in a gate valve was determined. The maximum overall power reduction factor was measured as being 2.2 times. It was concluded that the design of a hydraulic installation to transport heavy oil with water in a core annular pattern should consider a pressure drop increase by a factor of 15 % in a straight pipe and by a factor of 700 % in a gate valve based on the monophasic water transport at similar flow rates.

O interesse em escoamento bifásico líquido-líquido aumentou recentemente, em especial devido às grandes perdas de energia envolvidas no transporte de petróleo, onde comumente uma mistura bifásica óleo-água é deslocada ao longo de grandes distancias. Embora este tipo de escoamento seja comum na indústria, não existem tantos trabalhos na literatura quanto os relacionados ao escoamento gás-líquido. Alguns estudos sobre escoamentos óleo-água reportam uma redução de atrito em dispersões e emulsões em regime turbulento sem adição de qualquer tipo de substancia química, mas a física por trás do fenômeno ainda não é bem compreendida. Neste trabalho, foi estudado o padrão de escoamento disperso óleo-água em tubulação horizontal, visando a obtenção de novos dados experimentais e um melhor entendimento do fenômeno de redução de atrito. Uma série de parâmetros considerados importantes para a caracterização do escoamento foi investigada: queda de pressão, fração volumétrica e sub-padrões de escoamento disperso. Apresentam-se dados de distribuição das fases e fração volumétrica in situ, obtidos através de um moderno sensor intrusivo, do tipo wire-mesh, baseado em medidas de capacitância (permissividade). Câmera de alta velocidade e técnica das válvulas de fechamento rápido foram utilizadas para validar os sinais do sensor. Um modelo prospectivo simplificado foi desenvolvido como uma tentativa de explicar a ocorrência do fenômeno de redução de atrito no padrão disperso óleo-água estudado. O modelo sugere que a presença de uma fina película de água rente a parede hidrofílica/oleofóbica do tubo poderia explicar a diminuição no gradiente de pressão bifásico observada. / The interest in two-phase liquid-liquid flow has increased recently mainly due to the petroleum industry where oil and water are often produced and transported together for long distances and the significant frictional pressure gradient involved. Liquid-liquid flows are present in a wide range of industrial processes; however, they have not been studied as intensively as gas-liquid flows. Drag reduction phenomenon in oil-water flows without the addition of any drag reduction agent has been detected in previous works, but the physics behind the phenomenon is yet not well understood. The aim of the research was to study the dispersed oil-water flow pattern in a horizontal pipe in order to better understand the phenomenon and the obtaining of new experimental data of oil-water dispersed flows. Important issues related to oil-water pipe flow were investigated: pressure drop, volume fraction and flow patterns. Phase distribution and holdup data were obtained by a new wire-mesh sensor based on capacitance (permittivity) measurements. A high-speed video camera and the Quick-Closing-Valves technique were used to compare and validate the signals of the wire-mesh sensor. A simplified mathematical model was proposed to explain the drag reduction phenomenon in the oil-water dispersed flow studied. The model suggests that the presence of a thin water film between the homogenously dispersed flow and the pipe wall could explain the observed decreases of the two-phase pressure gradient.

Dans ce travail, des écoulements liquide-liquide dispersés homogènes (c'est-à-dire sans gradient de concentration) ont été étudiés dans une conduite horizontale de 7.5m de long et de 50mm de diamètre interne. Les expériences ont été réalisées dans une large gamme de paramètres opératoires (vitesses de mélange comprises entre 0.28 et 1.2m/s et concentration volumique en phase dispersée, f, de 0.08 à 0.7). Le facteur de frottement de ces écoulements a été mesuré et modélisé en régime turbulent, intermédiaire et laminaire. Ces différents régimes ainsi que l’effet de la concentration en phase dispersée ont été identifiés à partir des mesures locales de vitesse par une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV). Lorsque f=0.56, les dispersions se comportent comme des fluides newtoniens auxquels le concept de viscosité effective peut s’appliquer. Le modèle de viscosité de Krieger et Dougherty (1959) décrit l’ensemble des émulsions formées. Le facteur de frottement mesuré suit les lois de frottement classiques en régime laminaire et turbulent (Hagen-Poiseuille et Blasius respectivement) en fonction du nombre de Reynolds basé sur les propriétés de mélange des émulsions (densité et viscosité). Toutefois, la concentration en phase dispersée induit un retard à l’apparition de la turbulence. En milieu très concentré (f=0.7), la dispersion a un comportement rhéofluidifiant et suit la loi d’Ostwald avec un exposant, n=0.5. Tous ces écoulements ont été étudiés, en détail, par l’analyse locale des vitesses. / Homogeneous dispersed flows have been investigated in a horizontal pipe (7.5m long and 50mm internal diameter) in a wide range of flow parameters (mixture velocity from 0.28 to 1.2m/s and concentration, f, up to 0.7). In this work, the wall friction of this emulsion has been measured and modeled in turbulent, intermediate and laminar regime. The different flow regime and the effect of dispersed phase volume fraction have been determined from the velocity profiles measured by PIV measurements in a refractive index matched medium. When f=0.56, emulsion behaves as newtonian fluid. It was shown that the concept of effective viscosity is relevant to scale the wall friction of the emulsion flow. The effective viscosity follows the classical trend of low inertia suspension of hard spheres (Krieger & Dougherty 1959). The friction factor is described by the classical single phase laws in turbulent and laminar regime (Hagen-Poiseuille and Blasius respectively) as a function of Reynolds number based on mixture properties (density and viscosity). Compared to single phase flow, the transition to turbulence is delayed as dispersed phase fraction is increased. For higher dispersed phase fraction (f=0.7), emulsion behaves as a shear-thinning fluid. Emulsion follows the Ostwald law with an exponent equal to 0.5. All these homogeneous dispersed flow have been studied in details.

O escoamento líquido-líquido, em especial o escoamento óleo-água, vem atraindo a atenção de pesquisadores devido à alta demanda pelo combustível fóssil no atual cenário petrolífero mundial e nacional. Os desafios tecnológicos colocados pelas descobertas de reservas de óleos pesados e altamente viscosos consideram, em especial, a preocupação por minimizar as perdas energéticas nas linhas. Emulsões inversas ou dispersões óleo-em-água, na qual o óleo se encontra disperso de maneira uniforme em água, caracteriza-se pela baixa viscosidade aparente, tornando-se um tipo de emulsão desejável em algumas etapas do transporte de petróleo. Esses fatos tornam essencial o estudo deste tipo de padrão para o dimensionamento e operação ótima de dutos de produção de petróleo. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos sobre padrão disperso líquido-líquido, ao comparar com escoamento em fases separadas. Trabalhos sobre dispersões têm reportado redução de atrito sem a adição de substâncias químicas em regime turbulento. No entanto, não há ainda um entendimento satisfatório do fenômeno. Na maioria dos trabalhos, sendo quase todos realizados com óleos leves e pouco viscosos, a redução é reportada em dispersões água-em-óleo, com escassos trabalhos reportando o fenômeno em dispersões óleo-em-água. A pesquisa realizada tratou do estudo experimental e teórico de dispersões óleo-em-água em tubulações. O escoamento foi caracterizado a partir da obtenção de dados de holdup, gradiente de pressão por fricção, distribuição das fases e padrão de escoamento. Uma teoria foi proposta para explicar a redução de atrito detectada neste trabalho, baseada na existência de um filme fino de água que escoa em contato com a parede do tubo, a baixos números de Reynolds, evitando o contato direto do núcleo turbulento (mistura bifásica) com a parede do tubo. O referido filme líquido foi detectado e quantificado utilizando-se técnica visual. Além disso, um modelo dinâmico baseado na teoria de lubrificação hidrodinâmica foi desenvolvido como tentativa de explicar a formação do filme líquido parietal no escoamento turbulento de dispersões óleo-água. / Liquid-liquid flow, especially oil-water flow, has attracted the attention of researchers due to the high demand for petroleum in the current global scenario. The discovery of reserves of heavy and highly viscous oils creates new challenges which are mainly concerned with reducing the significant pressure drop in pipes. Inverse emulsion or oil-in-water dispersions in which the oil is dispersed in water is characterized by its low effective viscosity, making it a desirable type of emulsion in some steps of oil production. These facts make the study of dispersed liquid-liquid flow essential for the design and optimal operation of oil pipelines. However, the studies on such flow pattern are scanty in comparison to those on separate flows, as stratified and annular flow patterns. Drag reduction in oil-water turbulent flow without the addition of any chemical substance has been reported in some studies. This phenomenon has received increasing attention in recent years, because there is not a satisfactory understanding of its dynamics yet. Most studies, almost all using light oils, report drag reduction in dispersion of water-in-oil, with few studies reporting the phenomenon in oil-in-water dispersions. This research comprises an experimental and theoretical study on oil-in-water dispersions in pipes. Pressure gradient, holdup, phase distribution and flow patterns data were obtained to characterize the two-phase flow. A theory was proposed to explain the drag reduction detected in this work, based on the existence of a thin water film flowing in contact with the pipe wall at low Reynolds numbers, avoiding contact between the turbulent core (mixture) and the pipe wall. The liquid film was detected and quantified using visual technique. In addition, a dynamic model based on the hydrodynamic lubrication theory was developed as an attempt to explain the formation of the liquid film.

O escoamento líquido-líquido, em especial o escoamento óleo-água, vem atraindo a atenção de pesquisadores devido à alta demanda pelo combustível fóssil no atual cenário petrolífero mundial e nacional. Os desafios tecnológicos colocados pelas descobertas de reservas de óleos pesados e altamente viscosos consideram, em especial, a preocupação por minimizar as perdas energéticas nas linhas. Emulsões inversas ou dispersões óleo-em-água, na qual o óleo se encontra disperso de maneira uniforme em água, caracteriza-se pela baixa viscosidade aparente, tornando-se um tipo de emulsão desejável em algumas etapas do transporte de petróleo. Esses fatos tornam essencial o estudo deste tipo de padrão para o dimensionamento e operação ótima de dutos de produção de petróleo. Contudo, não existe ainda um número abrangente de trabalhos sobre padrão disperso líquido-líquido, ao comparar com escoamento em fases separadas. Trabalhos sobre dispersões têm reportado redução de atrito sem a adição de substâncias químicas em regime turbulento. No entanto, não há ainda um entendimento satisfatório do fenômeno. Na maioria dos trabalhos, sendo quase todos realizados com óleos leves e pouco viscosos, a redução é reportada em dispersões água-em-óleo, com escassos trabalhos reportando o fenômeno em dispersões óleo-em-água. A pesquisa realizada tratou do estudo experimental e teórico de dispersões óleo-em-água em tubulações. O escoamento foi caracterizado a partir da obtenção de dados de holdup, gradiente de pressão por fricção, distribuição das fases e padrão de escoamento. Uma teoria foi proposta para explicar a redução de atrito detectada neste trabalho, baseada na existência de um filme fino de água que escoa em contato com a parede do tubo, a baixos números de Reynolds, evitando o contato direto do núcleo turbulento (mistura bifásica) com a parede do tubo. O referido filme líquido foi detectado e quantificado utilizando-se técnica visual. Além disso, um modelo dinâmico baseado na teoria de lubrificação hidrodinâmica foi desenvolvido como tentativa de explicar a formação do filme líquido parietal no escoamento turbulento de dispersões óleo-água. / Liquid-liquid flow, especially oil-water flow, has attracted the attention of researchers due to the high demand for petroleum in the current global scenario. The discovery of reserves of heavy and highly viscous oils creates new challenges which are mainly concerned with reducing the significant pressure drop in pipes. Inverse emulsion or oil-in-water dispersions in which the oil is dispersed in water is characterized by its low effective viscosity, making it a desirable type of emulsion in some steps of oil production. These facts make the study of dispersed liquid-liquid flow essential for the design and optimal operation of oil pipelines. However, the studies on such flow pattern are scanty in comparison to those on separate flows, as stratified and annular flow patterns. Drag reduction in oil-water turbulent flow without the addition of any chemical substance has been reported in some studies. This phenomenon has received increasing attention in recent years, because there is not a satisfactory understanding of its dynamics yet. Most studies, almost all using light oils, report drag reduction in dispersion of water-in-oil, with few studies reporting the phenomenon in oil-in-water dispersions. This research comprises an experimental and theoretical study on oil-in-water dispersions in pipes. Pressure gradient, holdup, phase distribution and flow patterns data were obtained to characterize the two-phase flow. A theory was proposed to explain the drag reduction detected in this work, based on the existence of a thin water film flowing in contact with the pipe wall at low Reynolds numbers, avoiding contact between the turbulent core (mixture) and the pipe wall. The liquid film was detected and quantified using visual technique. In addition, a dynamic model based on the hydrodynamic lubrication theory was developed as an attempt to explain the formation of the liquid film.