It is common for an oil well to produce a mixture of hydrocarbons that flash when exposed to atmospheric pressure. The separation of oil and gas mixtures on site may prove expensive and lead to higher infrastructure and maintenance costs as well. A multiphase pump offers a good alternative with a lower capital cost and increased overall production. A Progressive Cavity Pump (PCP) is a positive displacement pump type that can be used to pump a wide range of multiphase mixtures, including high viscosity fluids with entrained gas and solid particles in suspension. Despite its advantages, a PCP has a reduced ability to handle high gas-liquid ratios due to limitations of its elastomeric stator material required to overcome thermo and mechanical effects. Also the efficiency decreases significantly with increases in gas volume fractions and reduced differential pressures. The current study focuses on studying the behavior of this unique pump in a wide range of GVFs and studying the effect of this ratio on overall efficiency, temperature and pressure distribution on the stator. The pump exhibits vibration issues at specific differential pressures and they have been studied in this work. This can be of critical value as severe vibration issues can damage the pump components such as couplings and bearings leading to high maintenance costs. Another important issue addressed by this research is the behavior of this pump in transient conditions. Oil well production is highly unpredictable with unexpected rises and drops in GVFs. These transient conditions have been simulated by varying the GVF over wide ranges and studying the pump's behavior in terms of load, temperature rises and instantaneous pressure profiles on the pump stator. This thesis provides a comprehensive study of this pump, its operating ranges and behavior in off-design conditions to assist oil and gas exploration ventures in making an informed choice in pump selection for their applications based on field conditions.

Twin-screw multiphase pumps experience a severe decrease in efficiency, even the breakdown of pumping function, when operating under wet gas conditions. Additionally, field operations have revealed significant vibration and thermal issues which can lead to damage of the pump internals and expensive repairs and maintenance. There are limited models simulating the performance of twin-screw pump under these conditions. This project develops a pump-user oriented simulator to model the performance of twin-screw pumps under wet gas conditions. Experimental testing is conducted to verify the simulation results. Based on the simulations, an innovative solution is presented to improve the efficiency and prevent the breakdown of pumping function. A new model is developed based upon a previous Texas A&M twin-screw pump model. In this model, both the gas slip and liquid slip in the pump clearances are simulated. The mechanical model is coupled with a thermodynamic model to predict the pressure and temperature distribution along the screws. The comparison of experimental data and the predictions of both isothermal and non-isothermal models show a better match than previous models with Gas Volume Fraction (GVF) 95% and 98%. Compatible with the previous Texas A&M twin-screw pump model, this model can be used to simulate the twin-screw pump performance with GVF from 0% to 99%. Based on the effect of liquid viscosity, a novel solution is investigated with the newly developed model to improve the efficiency and reliability of twin-screw pump performance with GVF higher than 94%. The solution is to inject high viscosity liquid directly into the twin-screw pump. After the simulations of several different scenarios with various liquid injection rates and injection positions, we conclude that the volumetric efficiency increases with increasing liquid viscosity and injecting liquid in the suction is suggested.

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.

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.

A flotação por ar dissolvido (FAD) é um método de separação de fases bastante utilizado em sistemas de tratamento de efluentes industriais. Nos últimos 20 anos, numerosos avanços têm contribuído para uma maior eficiência deste processo. Entre estes, podem-se citar os avanços nos métodos para a saturação de ar na água. Atualmente tem-se realizado estudos com a utilização de bombas multifásicas em substituição às unidades de saturação tradicionais, com vistas a se buscar maior simplicidade e facilidade operacional, aliados à menor necessidade de manutenção periódica da unidade de saturação. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de uma bomba multifásica na geração de microbolhas de ar no processo de flotação por ar dissolvido para o tratamento de efluente de indústria têxtil. O projeto foi dividido nas seguintes etapas: Etapa I - com o emprego do Flotateste, foram determinadas as dosagens adequadas de coagulante e polímero para o tratamento do despejo líquido industrial em estudo; Etapa II - utilizando-se uma unidade piloto de flotação por ar dissolvido montada nas instalações de uma indústria têxtil, avaliou-se a influência das condições de operação (taxa de aplicação superficial, razão de recirculação, pressão de saturação e quantidade de ar fornecida) na eficiência do sistema constituído pela bomba multifásica. Considerando a taxa de aplicação superficial empregada neste estudo, a qual foi mantida em faixa estreita de valor (TASclar em torno de 128,6 ± 10 m/d), verificou-se que os maiores valores de eficiência de remoção dos parâmetros monitorados foram obtidos nos ensaios realizados com razão de recirculação igual a 30% associados ao fornecimento de ar de 13%. Nos ensaios onde se realizou a avaliação da concentração de ar presente na recirculação pressurizada, as concentrações de ar efetivamente fornecidas (fração dissolvida e não dissolvida) pelo sistema constituído pela bomba multifásica, foram superiores às concentrações máximas teóricas de ar dissolvido calculadas a partir da Lei de Henry. O valor da relação A/S que forneceu os melhores resultados situou-se em torno de 0,015 g ar/g sólidos. Desta forma, sugere-se tal valor como subsídio ao projeto de sistema de flotação constituído pela tecnologia em estudo nesta pesquisa. / The dissolved air flotation is a method for solid/liquid separation that is used in the industries to treat the wastewater. In the last 20 years, several advances have been added to increase the process\' efficiency. For example, there are the advances in the air saturation methods. Nowadays, studies have been carried out with the use of multiphase pumps instead of conventional saturator units. This way, the aim of this research was to evaluate the performance of a multiphase pump in the air microbubble generation for dissolved air flotation process that is applied to treat the effluent of textile industry. The research was performed in two stages: i) on laboratory scale (Flotatest), where the adequate dosages of coagulant and flocculation aid were carried out; ii) in a pilot unit, where studies were conducted aiming at the evaluation of operational conditions in the system\'s efficiency. In the pilot unit (hydraulic surface loading equal to 128,6 ± 10m/d) , it was verified that the best results in terms of removal efficiency of monitored parameters were obtained for the essays performed with recirculation ratio equal to 30%, air supply of 13% and A/S ratio equal to 0.015 g air/g solids. The air concentrations supplied (dissolved fraction and non-dissolved fraction) by the system were higher than the maximum theoretical concentration of dissolved air (Henry\'s law).

A flotação por ar dissolvido (FAD) é um método de separação de fases bastante utilizado em sistemas de tratamento de efluentes industriais. Nos últimos 20 anos, numerosos avanços têm contribuído para uma maior eficiência deste processo. Entre estes, podem-se citar os avanços nos métodos para a saturação de ar na água. Atualmente tem-se realizado estudos com a utilização de bombas multifásicas em substituição às unidades de saturação tradicionais, com vistas a se buscar maior simplicidade e facilidade operacional, aliados à menor necessidade de manutenção periódica da unidade de saturação. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de uma bomba multifásica na geração de microbolhas de ar no processo de flotação por ar dissolvido para o tratamento de efluente de indústria têxtil. O projeto foi dividido nas seguintes etapas: Etapa I - com o emprego do Flotateste, foram determinadas as dosagens adequadas de coagulante e polímero para o tratamento do despejo líquido industrial em estudo; Etapa II - utilizando-se uma unidade piloto de flotação por ar dissolvido montada nas instalações de uma indústria têxtil, avaliou-se a influência das condições de operação (taxa de aplicação superficial, razão de recirculação, pressão de saturação e quantidade de ar fornecida) na eficiência do sistema constituído pela bomba multifásica. Considerando a taxa de aplicação superficial empregada neste estudo, a qual foi mantida em faixa estreita de valor (TASclar em torno de 128,6 ± 10 m/d), verificou-se que os maiores valores de eficiência de remoção dos parâmetros monitorados foram obtidos nos ensaios realizados com razão de recirculação igual a 30% associados ao fornecimento de ar de 13%. Nos ensaios onde se realizou a avaliação da concentração de ar presente na recirculação pressurizada, as concentrações de ar efetivamente fornecidas (fração dissolvida e não dissolvida) pelo sistema constituído pela bomba multifásica, foram superiores às concentrações máximas teóricas de ar dissolvido calculadas a partir da Lei de Henry. O valor da relação A/S que forneceu os melhores resultados situou-se em torno de 0,015 g ar/g sólidos. Desta forma, sugere-se tal valor como subsídio ao projeto de sistema de flotação constituído pela tecnologia em estudo nesta pesquisa. / The dissolved air flotation is a method for solid/liquid separation that is used in the industries to treat the wastewater. In the last 20 years, several advances have been added to increase the process\' efficiency. For example, there are the advances in the air saturation methods. Nowadays, studies have been carried out with the use of multiphase pumps instead of conventional saturator units. This way, the aim of this research was to evaluate the performance of a multiphase pump in the air microbubble generation for dissolved air flotation process that is applied to treat the effluent of textile industry. The research was performed in two stages: i) on laboratory scale (Flotatest), where the adequate dosages of coagulant and flocculation aid were carried out; ii) in a pilot unit, where studies were conducted aiming at the evaluation of operational conditions in the system\'s efficiency. In the pilot unit (hydraulic surface loading equal to 128,6 ± 10m/d) , it was verified that the best results in terms of removal efficiency of monitored parameters were obtained for the essays performed with recirculation ratio equal to 30%, air supply of 13% and A/S ratio equal to 0.015 g air/g solids. The air concentrations supplied (dissolved fraction and non-dissolved fraction) by the system were higher than the maximum theoretical concentration of dissolved air (Henry\'s law).

As crescentes exigências sobre o desempenho de sistemas de bombeamento multifásico combinadas aos aspectos relacionados com a maior disponibilidade operacional desses sistemas, bem como as futuras condições de funcionamento atingindo pressões perto de 150 bar, destacam a importância de desenvolver modelos matemáticos precisos para prever o comportamento do desempenho nestes equipamentos. Nesta tese foi aperfeiçoado o modelo termo-hidráulico de uma bomba multifásica de tipo duplo parafuso desenvolvido por Nakashima (2005) e foram incluídos os efeitos da abertura gradual da última câmara, recirculação de líquido entre a sucção e descarga, transferência de calor através do liner e expansão térmica. Uma vez fornecidos os dados geométricos da bomba e as suas condições de operação, é possível calcular os parâmetros de desempenho mais importantes, como: eficiência volumétrica, vazão de sucção e refluxo, potência consumida e distribuição de pressão e temperatura. As equações implementadas foram desenvolvidas a partir dos balanços de massa e energia nas câmaras, tendo em conta a geometria da bomba e a variação das fendas durante sua operação. As rotinas e métodos necessários para a sua solução numérica foram implementadas utilizando programação orientada a objetos (C++). Os resultados fornecidos pelo modelo aperfeiçoado foram comparados com dados experimentais da literatura e uma boa concordância foi encontrada na faixa de até 95 % FVG, nos casos estudados, para bombas com e sem tecnologia de recirculação. Devido à complexidade dos fenômenos físicos envolvidos durante a operação da bomba, o impacto de cada um dos efeitos incorporados nos cálculos do modelo foi avaliado e discutido individualmente. Assim, foi demonstrada a grande influencia da recirculação, da abertura gradual da câmara de descarga e da expansão térmica nos cálculos dos parâmetros de operação mais importantes da bomba. Além disso, a transferência de calor pode ser considerada desprezível, já que seu valor é baixo quando comparado com a potência fornecida pela bomba e, portanto, não influencia os balanços de energia que determinam os estados termodinâmicos das câmaras. No entanto, esse efeito é necessário para calcular a distribuição de temperatura da bomba e a expansão térmica nos parafusos e no liner. / The increasing requirements about the performance of multiphase pumping systems combined with those related to a higher operational availability of such systems, as well as future operating conditions with pressure increase at about 150 bar, highlights the importance of developing accurate mathematical models to predict the performance behavior of these equipments. In this thesis it was improved the thermo-hydraulic behavior of a twin screw multiphase pump developed by Nakashima (2005), and were included the effects of the gradual opening of the last chamber, fluid recirculation between suction and discharge of the pump, heat transfer though the liner, thermal expansion and different working fluids (water-air and oil-gas). Giving pump geometry and operational conditions, it is possible to calculate the most important pump parameters performance, such as, volumetric efficiency, suction flow, back-flow, power consumption and pressure and temperature distribution. The model equations were developed based on mass and energy balances in the chambers taking into account the pump geometry and the clearance variation due to operation. Its implementation was made in C++. The results obtained by the new model were compared with experimental data of the bibliography, and a good accuracy was found in it with values till 95% GVF for the studied cases, with and without recirculation technology. Due to the physical phenomenon complexity related with the pump operation, the impact of each effect in the model calculations was evaluated and discussed separately. So, it was demonstrated the importance of the recirculation, the gradual opening of the last chamber and the thermal expansion in the calculation of the most important pump operation parameters. However, the heat transfer can be neglected, because its value is very low when compared with the pump power supply, and therefore, it does not influence the energy balances that determine thermodynamic state in the chambers. However, this effect is necessary to calculate the temperature distribution along the pump and the thermal expansion in the screws and the liner.

As crescentes exigências sobre o desempenho de sistemas de bombeamento multifásico combinadas aos aspectos relacionados com a maior disponibilidade operacional desses sistemas, bem como as futuras condições de funcionamento atingindo pressões perto de 150 bar, destacam a importância de desenvolver modelos matemáticos precisos para prever o comportamento do desempenho nestes equipamentos. Nesta tese foi aperfeiçoado o modelo termo-hidráulico de uma bomba multifásica de tipo duplo parafuso desenvolvido por Nakashima (2005) e foram incluídos os efeitos da abertura gradual da última câmara, recirculação de líquido entre a sucção e descarga, transferência de calor através do liner e expansão térmica. Uma vez fornecidos os dados geométricos da bomba e as suas condições de operação, é possível calcular os parâmetros de desempenho mais importantes, como: eficiência volumétrica, vazão de sucção e refluxo, potência consumida e distribuição de pressão e temperatura. As equações implementadas foram desenvolvidas a partir dos balanços de massa e energia nas câmaras, tendo em conta a geometria da bomba e a variação das fendas durante sua operação. As rotinas e métodos necessários para a sua solução numérica foram implementadas utilizando programação orientada a objetos (C++). Os resultados fornecidos pelo modelo aperfeiçoado foram comparados com dados experimentais da literatura e uma boa concordância foi encontrada na faixa de até 95 % FVG, nos casos estudados, para bombas com e sem tecnologia de recirculação. Devido à complexidade dos fenômenos físicos envolvidos durante a operação da bomba, o impacto de cada um dos efeitos incorporados nos cálculos do modelo foi avaliado e discutido individualmente. Assim, foi demonstrada a grande influencia da recirculação, da abertura gradual da câmara de descarga e da expansão térmica nos cálculos dos parâmetros de operação mais importantes da bomba. Além disso, a transferência de calor pode ser considerada desprezível, já que seu valor é baixo quando comparado com a potência fornecida pela bomba e, portanto, não influencia os balanços de energia que determinam os estados termodinâmicos das câmaras. No entanto, esse efeito é necessário para calcular a distribuição de temperatura da bomba e a expansão térmica nos parafusos e no liner. / The increasing requirements about the performance of multiphase pumping systems combined with those related to a higher operational availability of such systems, as well as future operating conditions with pressure increase at about 150 bar, highlights the importance of developing accurate mathematical models to predict the performance behavior of these equipments. In this thesis it was improved the thermo-hydraulic behavior of a twin screw multiphase pump developed by Nakashima (2005), and were included the effects of the gradual opening of the last chamber, fluid recirculation between suction and discharge of the pump, heat transfer though the liner, thermal expansion and different working fluids (water-air and oil-gas). Giving pump geometry and operational conditions, it is possible to calculate the most important pump parameters performance, such as, volumetric efficiency, suction flow, back-flow, power consumption and pressure and temperature distribution. The model equations were developed based on mass and energy balances in the chambers taking into account the pump geometry and the clearance variation due to operation. Its implementation was made in C++. The results obtained by the new model were compared with experimental data of the bibliography, and a good accuracy was found in it with values till 95% GVF for the studied cases, with and without recirculation technology. Due to the physical phenomenon complexity related with the pump operation, the impact of each effect in the model calculations was evaluated and discussed separately. So, it was demonstrated the importance of the recirculation, the gradual opening of the last chamber and the thermal expansion in the calculation of the most important pump operation parameters. However, the heat transfer can be neglected, because its value is very low when compared with the pump power supply, and therefore, it does not influence the energy balances that determine thermodynamic state in the chambers. However, this effect is necessary to calculate the temperature distribution along the pump and the thermal expansion in the screws and the liner.