Orientador : Antonio Carlos Bannwart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-02T07:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HernandezRodriguez_OscarMauricio_D.pdf: 20515204 bytes, checksum: e8248cf9dd43eeebd494c7dfcbf81e6d (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Neste trabalho foi estudado o padrão de escoamento bifásico líquido-líquido anular vertical ascendente, visando sua aplicação para a elevação de petróleo pesado. Um dos principais problemas referentes à viabilidade econômica da movimentação deste tipo de óleo são os enormes gradientes de pressão por fricção envolvidos. A técnica estudada consiste no transporte hidráulico de fluidos altamente viscosos através da injeção de pequenas quantidades de água, de tal forma a criar uma adequada lubrificação do óleo e estabelecer um padrão de fluxo anular, conhecido por core-flow ou core-annular flow. O trabalho investigou uma série de tópicos considerados relevantes no estudo do escoamento óleo pesado- água em tubulações: padrões de fluxo, estabilidade hidrodinâmica do padrão anular, forma da interface, fração volumétrica e perda de pressão bifásica. Descreve-se as experiências realizadas em laboratório onde foram visualizados os padrões e geradas cartas de fluxo. São apresentados novos dados de fração volumétrica e propriedades das ondas interfaciais. Apresenta-se também novas medições de gradiente de pressão por fricção para o escoamento anular vertical ascendente. Foram desenvolvidas modelagens matemáticas e interpretações fisicas à luz dos resultados experimentais, que permitiram determinar uma solução para a interface óleo-água no padrão anular e propor novos critérios de transição do padrão anular para o padrão intermitente e novas correlações para a previsão da fração volumétrica do óleo e da perda de pressão bifásica. As comparações realizadas entre os dados experimentais e os resultados gerados mostrou-se excelente / Abstract: This investigation describes the upward vertical annular two-phase flow for application on heavy oil production. One of the main problems concerning the exploitation of this kind of crude is the huge friction pressure gradient involved. The technology that has been studied for the very viscous fluid transportation consists in the continuous injection of little amounts of water in such a way to create a lubrication layer and establish the flow pattern known as core-annular flow or core-flow. The aim of the research was to study the main issues related to heavy oil-water pipe flow, e.g.: flow pattern, hydrodynamic stability, interface shape, holdup and pressure drop. Laboratory experiments have been carried out where the flow patterns were visualized and flow maps generated. Holdup and interfacial properties were also obtained. Besides, pressure drop gradients were measured for upward vertical core-flow. Mathematical modeling has also been developed allowing the physical interpretation of experimental data. A solution has been obtained for the oil-water interface. New transition criteria from core-flow to intermittent flow are suggested and new correlations to predict the holdup and the two-phase pressure drop were developed. Comparisons between experimental data and the theoretical results were made with excellent agreement / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de tesis, Caracterización del transporte de pulpa de cobre en tuberías, mediante simulación , representa uno de los primeros esfuerzos desarrollados en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile por entender las principales características teóricas y prácticas de los flujos de pulpa de cobre. Estos flujos se utilizan como una gran alternativa para transportar mineral en las faenas mineras, aprovechando el agua como fluido de transporte. Los beneficios de utilizar este método de transporte van desde su eficiencia energética y su bajo impacto ambiental hasta su gran capacidad de transporte referida a distancias y toneladas por día. El principal objetivo de esta tesis es caracterizar la fluidodinámica presente en el transporte de pulpa de cobre por tuberías mediante simulaciones computacionales, contrastando los resultados con la teoría que rige estos flujos. Con este fin se realiza un estudio de las principales expresiones teóricas y correlaciones empíricas que se utilizan para el diseño de estos sistemas de transporte y luego un set de 17 casos simulados. Se implementa un modelo monofásico y cuatro multifásicos (modelo de mezcla, modelo de mezcla granular, modelo Euleriano y modelo Euleriano granular) sobre dos geometrías: una tubería lineal de 10 metros de largo y 16 pulgadas de diámetro, y una tubería con una expansión de 14 pulgadas. Utilizando un flujo de 6,9 m/s de velocidad con fracción volumétrica de 33% de sólidos, distribuidos en cuatro fases (cada fase con un diámetro de partículas correspondiente), se determina que el modelo de mezcla simple es el más preciso para predecir pérdidas de carga y además se comporta de manera correcta bajo otros criterios como velocidades de partícula, niveles de sedimentación, estratificación de las fases sólidas y distribución de dichas fases en el eje vertical de las tuberías. Se logra también incorporar la revisión de los criterios teóricos para corroborar que este modelo se comporta de manera suficientemente aceptable en los casos propuestos. Finalmente se pone a prueba el modelo de mezcla utilizando criterios de estrés. Para ello se realizan cinco simulaciones para determinar el efecto del tamaño de partícula sobre el modelo, obteniéndose resultados correctos desde el punto de vista de lo esperado. También se realizan otras tres simulaciones donde se cambia le geometría tipo expansión, se prueba disminuir la velocidad del flujo hasta la velocidad de sedimentación y se aumenta la fracción volumétrica de la fase sólida. Los resultados que arroja este nuevo set de casos son buenos y determinan que el modelo de mezcla es capaz de adaptarse a casos extremos.

Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-18T19:12:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PrietoJimenez_Natalia_M.pdf: 6938239 bytes, checksum: 6c44d3053179a676042ac55971eeb06b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Craqueamento Catalítico Fluidizado (FCC) é um processo amplamente utilizado para converter frações de hidrocarbonetos de óleos brutos de petróleo com elevado ponto de ebulição, a produtos mais valiosos tais como gasolina e gases olefínicos (alcenos). Durante as reações de craqueamento, o catalisador é desativado rapidamente devido à deposição de coque na sua superfície. Em unidades industriais de FCC, o catalisador desativado é continuamente regenerado utilizando um regenerador, conectado ao reator riser. Além da regeneração do catalisador (combustão de coque pelo contato com o ar), o regenerador FCC fornece também a energia necessária para as reações de craqueamento endotérmicas. O objetivo deste trabalho de pesquisa é simular a combustão de coque em um regenerador tridimensional, analisado variáveis de saída como concentração de carbono, temperatura, velocidade axial e radial das fases sólida e gasosa, e fração volumétrica de sólidos, mediante a técnica de Fluidodinâmica Computacional (CFD). Para isto, são utilizadas duas configurações de regenerador com dimensões e condições de contorno tomadas da literatura. Para a modelagem matemática e numérica utilizaram-se os softwares comerciais ANSYS-CFX V11 e FLUENT V12, junto com sub-rotinas desenvolvidas durante a pesquisa. Foram comparados sistemas de reação homogênea e heterogênea utilizando o modelo cinético Finite-Rate laminar, no qual as taxas de reação são determinadas pelas expressões cinéticas de Arrhenius. Do desenvolvimento das simulações obtiveram-se resultados satisfatórios que serão úteis no entendimento do complexo processo da regeneração de catalisadores para processos de FCC / Abstract: Fluidized Catalytic Cracking (FCC) is a widely used process to convert hydrocarbon fractions of crude petroleum oils with high boiling point to more valuable products such as gasoline and olefin gases (alkenes). During the cracking reactions, the catalyst is quickly deactivated due to coke deposition on its surface. In FCC industrial units, deactivated catalyst is continuously regenerated using a regenerator, connected to the riser reactor. In addition to catalyst regeneration (coke combustion by contact with air), FCC regenerator also provides the necessary energy for endothermic cracking reactions. The aim of this research was to simulate the coke combustion in a three-dimensional regenerator, analyzing output variables as coke concentration, temperature, axial and radial velocity of solid and gaseous phases, and solid volume fraction through the technique of Computational Fluid Dynamics (CFD). For this purpose two configurations of regenerator were used with dimensions and boundary conditions taken from the literature. For mathematical and numerical modeling, the commercial software ANSYS-CFX V11 and FLUENT V12 were used, with subroutines developed during the research. Homogeneous and heterogeneous reaction systems were compared using the laminar Finite-Rate kinetic model, in which the reaction rates are determined by Arrhenius kinetic expressions. The simulation of this system produced satisfactory results that will be useful in understanding the complex process of catalyst regeneration for FCC processes / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Orientadores: Fernando de Almeida França, Edson Yoshihito Nekagawa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-20T08:46:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sousa_JoaoTadeuVidalde_M.pdf: 30145690 bytes, checksum: 24119006d22dc1551983013469607047 (MD5) Previous issue date: 1995 / Resumo: O presente trabalho apresenta os resultados de uma investigação experimental realizada para avaliar a influência de um meio não-newtoniano e da inclinação da tubulação sobre a velocidade de ascensão de bolhas alongadas. o aparato experimental consiste de um tubo de acrílico transparente de 9,44 m, com diâmetro interno de 77,2 mm, que pode se fixado em qualquer inclinação entre as posições horizontal e vertical. Foram utilizadas válvulas de fechamento rápido para a medição da fração de vazio volumétrica, e sondas de condutividade elétrica para a determinação da velocidade e comprimento das bolhas alongadas. Foram realizados 622 testes, tendo ar como a fase gasosa e uma solução de goma xantana como o fluido de perfuração com comportamento não-newtoniano, para diversas inclinações do tubo. Adicionalmente, foram realizados 619 testes com a mistura ar-água. Os resultados experimentais foram comparados com trabalhos já publicados / Abstract; This work shows the results of an experimental investigation carried out to evaluate the influence of a non-Newtonian medium and pipe inclination on the rise velocity of elongated bubbles. The experimental apparatus consists of a 9.44 m long transparent pipe with 77.2 mm inside diameter that can be set at any inclination from vertical to horizontal. It contains ball valves that allows measurements of volumetric void fractions, and electrical conductivity probes for length and velocity determination of elongated bubbles. For several pipe inclinations, 622 tests were run using air, as the gas phase, and Xanthum Gum solution, as the drilling fluid with non-Newtonian behavior. Additional 619 tests were run for air-water mixture. The experimental results were compared with previous works / Mestrado / Mestre em Engenharia de Petróleo

Submitted by Marcele Costal de Castro (costalcastro@gmail.com) on 2017-09-27T15:49:43Z No. of bitstreams: 1 CESAR MARQUES SALGADO D.PDF: 3287236 bytes, checksum: e8cb423520d25b201049a40e5dc0babf (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-27T15:49:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CESAR MARQUES SALGADO D.PDF: 3287236 bytes, checksum: e8cb423520d25b201049a40e5dc0babf (MD5) Previous issue date: 2010-02 / Este trabalho apresenta uma nova metodologia baseada nos princípios de atenuação de raios gama, por meio de simulações de Monte Carlo (MC), e redes neurais artificiais (RNAs) supervisionadas para predições de frações de volume e identificação de regimes de fluxo em sistemas multifásicos tipo, gás, água e óleo encontrados na indústria petrolífera off-shore. O princípio baseia-se no reconhecimento das distribuições de altura de pulsos obtidas por detectores cintiladores que são utilizadas inteiramente para alimentar de forma simultânea as RNAs. As curvas-resposta (resolução energética e eficiência) de um detector real são consideradas. O sistema de detecção simulado utiliza dois detectores NaI(Tl) e duas energias de raios gama com feixe largo. A geometria proposta considera os feixes transmitido e espalhado tornando o sistema menos dependente do regime de fluxo. O conjunto de padrões necessário para treinamento e avaliação das RNAs foi gerado por meio do código computacional MCNP-X baseado no método de MC a partir de modelos teóricos ideais e estáticos de regimes multifásicos - anular, estratificado e homogêneo. As RNAs mapearam adequadamente os dados simulados com as frações de volume sem a necessidade do conhecimento, a priori, do regime de fluxo. As RNAs identificaram corretamente todos os regimes com predição satisfatória das frações de volume em sistemas multifásicos indicando a possibilidade de aplicação desta metodologia para tal propósito. / This work presents a new methodology for flow regimes identification and volume fractions prediction in gas-water-oil multiphase systems found in off-shore petroleum industry. The approach is based on gamma-ray pulse height distributions (PHDs) pattern recognition by means the artificial neural networks (ANNs). The detection system uses appropriate fan beam geometry, comprised of a dual-energy gamma-ray source and two NaI(Tl) detectors adequately positioned in order calculate transmitted and scattered beams, which makes it less dependent on the flow regime. The system comprises four ANNs, the first identifies the flow regime and the other three ANNs are specialized in volume fraction prediction for each specific regime. The PHDs are directly used by the ANNs without any parameterization of the measured signal. The energy resolution and efficiency of NaI(Tl) detectors are also considered on the mathematical model. The ideal and static theoretical models for annular, stratified and homogenous flow regimes have been developed using MCNP-X mathematical code (simulations by means of Monte Carlo method), which was used to provide training, test and validation data for the ANNs. The proposed ANNs could correctly identified all three different regimes with satisfactory prediction of volume fraction in gas-water-oil multiphase system demonstrating to be a promising approach for this purpose.

Em virtude da sua facilidade de operação e elevada eficiência, sedimentadores são bastante utilizados pelas indústrias na separação de componentes com diferentes densidades. Porém o desempenho do tanque sedimentador depende do campo de fluxo dentro do equipamento que, por sua vez, é influenciado pelas características dos sólidos em suspensão, da geometria e dimensões do tanque separador. As características hidrodinâmicas em um sedimentador circular vertical foram investigadas no presente trabalho, tanto por abordagens experimentais como numéricas. As experiências foram realizadas por velocimetria de imagem de partículas em um protótipo de sedimentador, construído em acrílico cristal transparente. As simulações foram realizadas, utilizando o pacote ANSYS CFX na versão 16.0, considerando escoamento 3D, turbulento, isotérmico e em regime permanente. O modelo em fluidodinâmica computacional foi criado em forma progressiva. Inicialmente, foram testados modelos para o sistema monofásico (água) e verificados através da comparação aos dados experimentais. Seis modelos de turbulência do tipo RANS foram analisados: epsilon, Renormalization Group (RNG) k-epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) e os de tensão de Reynolds (BSL RSM e SSG RSM). Para o estudo bifásico, empregou-se o modelo multifásico Euler-Euler, juntamente com o modelo de partícula e o de Gidaspow. Nesta situação, diversas configurações de condições de contorno e modificações no projeto do tanque original foram analisadas por meio de campo vetorial, linhas de fluxo, planos de concentração volumétrica e de energia cinética turbulenta. Os resultados mostraram que o modelo de turbulência BSL RSM foi o mais adequado para descrever o escoamento no sedimentador contínuo, sendo capaz de prever as recirculações e as variações de velocidade ao longo do equipamento. As zonas de recirculações (posição e intensidade) mostraram-se influenciadas pelas condições de contorno e forma geométrica do tanque de separação. Foi verificado que o aumento do diâmetro do tanque sedimentador (em 40,0%) provocou um favorecimento na separação água e sólido, elevando a eficiência em 17,3%, enquanto o aumento da altura (em 40,0%) do tanque reduziu a eficiência de separação em 27,5% em comparação ao projeto original. / Due to their operation facility and high efficiency, settlers are widely used by industries for separating components of different densities. The performance of sedimentation, however, depends on the flow field is inside the equipment, which in turn is influenced by the characteristics of the solids in suspension and by the geometry and size of the separation tank. The hydrodynamic characteristics of a vertical circular settler were investigated in the present work by means of both experimental and numeric approaches. The experimental analyses were carried out by particle image velocimetry in a settler prototype built in transparent crystal acrylic. The simulations were carried out using the software ANSYS CFX version 16.0, considering a 3-D, turbulent, isothermal and steady-state flow. The computational fluid dynamics model was used in the progressive approach. The models were initially tested for the one-phase process (water) and checked against the experimental data. Six RANS turbulence models were analyzed: k-epsilon, Renormalization Group (RNG) k- epsilon, k-omega, Shear Stress Transport (SST) and Reynolds Stress models (BSL RSM and SSG RSM). For the two-phase flow, the Euler-Euler multiphase model was used together with the particle model and the Gidaspow model. In this context, several configurations of boundary conditions and modifications in the original tank design were analyzed using vector field, flow lines, volumetric concentration and turbulent kinetic energy. The results showed that the BSL RSM turbulence model was more appropriate to explain the flow in the continuous settler, being able to predict the recirculations and velocity variations along the equipment. The recirculation zones (position and magnitude) were influenced by the boundary conditions and by the geometric shape of the separation tank. It was found that an increase in the diameter of the settler tank (in 40.0%) favored the water and solid separation, increasing its efficiency by 17.3%, while an increase in the height of the tank (in 40.0%) reduced the efficiency of separation by 27.5% when compared to the original design.

Um modelo matemático multifásico para a solidificação equiaxial de ligas binárias capaz de prever o efeito de taxa de resfriamento e da concentração de soluto no tamanho médio final de grãos foi proposto no presente trabalho. O modelo matemático foi desenvolvido através do conceito de envelope envolvendo os grãos, utilizando as equações de conservação de energia, massa e espécies químicas. O modelo de nucleação utilizado possibilita que novos núcleos possam surgir durante todo o período de resfriamento. As equações diferenciais foram obtidas através de uma média volumétrica das equações de conservação em um volume elementar representativo contendo três \"pseudofases\": sólido, líquido interdendrítico e líquido extradendrítico. O efeito de algumas variáveis de processamento sobre o tamanho médio final de grão foi analisado. Os resultados do modelo proposto foram comparados com resultados de alguns modelos disponíveis na literatura. / A multiphase mathematical model for the equiaxed solidification of binary alloys was proposed in the present work to predict the effects of the cooling rate and the average solute concentration on the final average grain size. The mathematical model was based on the concept of the grain envelope and on the conservation of energy, mass and chemical species. A nucleation model was adopted to consider the nucleation of new grains during the whole solidification time. The differential equations were derived from the volume average of conservation equations within a representative elementary volume that consisted of three pseudophases: solid, interdendritic liquid, and extradendritic liquid. The effect of some processing variables on the final average grain size was studied. The results from the proposed model were compared with those available in the literature from other models.

Este trabalho descreve um método para expandir a aplicabilidade do sistema FreeFlow-2D para problemas de escoamentos de fluidos multifásicos. Este método permite a simulação de escoamento de fluido multifásico, incompressível e com superfície livre. Um número arbitrário de fases com propriedades diferentes pode ser utilizado. Tensões superficial e interfacial são também consideradas. A técnica numérica utilizada baseia-se no GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) e consideram-se propriedades variáveis de acordo com a posição da interface durante o escoamento. O campo de velocidade é computado utilizando-se às equações de Navier-Stokes discretizadas por esquema de diferença finita numa malha deslocada. O método foi implementado em três módulos: Modelador, Simulador e Visualizador. A validação foi efetuada comparando-se os resultados numéricos com resultados analíticos e experimentais. O método mostrou-se robusto e computacionalmente eficiente para os problemas considerados. / This work describes a method to expand the applicability of the system FreeFlow-2D in multi-phase flows problems. This method allows the simulation of incompressible free surface multi-phase flows. An arbitrary number of phases having different properties can be used. Surface and interface tension effects are also considered. The numerical technique is based on the GENSMAC (Generalized-Simplified-Marker-and-Cell) and it considers the properties varying according to the position of the interfaces in the flow. The velocity field is computed using the Navier-Stokes equations discretized by finite-difference on stagered grid. The method was implemented in three modules: the modeling module, the simulation module, and the visualization module. The validation was effected by comparing numerical results with analytical and experimental results. The method shown to be robust and computationally efficient in the problems considered.

Orientador: Henry França Meier. / Coorientador: Rodrigo Koerich Decker. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Escoamentos multifásicos estão presentes em diversas aplicações industriais, principalmente na indústria do petróleo. Um dos casos de aplicação, objeto de estudo desse trabalho, é a determinação da produção de poços de petróleo através de válvulas choke. É apresentada uma revisão dos efeitos físicos e do equacionamento adotado pelos principais modelos multifásicos existentes para tais válvulas. Um estudo de sensibilidade de tais efeitos físicos é realizado, analisando as possíveis alternativas para a diferença de velocidade entre as fases, o mecanismo adotado para a troca de calor entre as fases, a influência da energia cinética a montante da válvula, a influência da área efetiva da garganta e a metodologia de cálculo da recuperação de pressão a jusante da válvula. Conclui-se que dos diversos fatores que influenciam no cálculo da vazão mássica e da condição crítica, a área efetiva da garganta é um parâmetro importante e que é necessário uma maior investigação de como determinar tal parâmetro. / Multiphase flow are present in many industrial applications, mainly at the petroleum industry. One of these application cases, aim of this work study, is to determine a petroleum well production by the choke valves. It is presented a revision of the physical effects and for the adopted equation by the main existing multiphase models for such valves. A sensibility study of such physical effects is performed, analyzing the possible alternatives for the phases velocities difference, the adopted mechanism for the heat transfer between the phases, the upstream kinetic energy influence, the throat effective area influencie and the calculation methodology adopted for the valve downstream pressure recover. It is concluded that from many factors that influence in the mass flow and critical condition calculation, the throat effective area is a important parameter and it is necessary a deeper investigation in how to determine such parameter.