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The chemical oxygen demand (COD) removal efficiency for treatment of an oil-water emulsion from the machinery industry using Fenton's reagent was investigated. The optimal [H 2 O 2 ]/[Fe 2+ ] molar ratio for COD removal was 3. An orthogonal test was designed based on the optimal molar [H 2 O 2 ]/[Fe 2+ ] ratio to evaluate the significance of four parameters relevant to the treatment process, namely, H 2 O 2 dosage, initial pH, oxidation time and coagulation pH. The influence of the following parameters on COD removal efficiency decreases as follows: H 2 O 2 dosage > oxidation time > coagulation pH > initial pH. The COD removal efficiency was investigated based on the most important single-factor parameter which was H 2 O 2 dosage, as discovered in the orthogonal test. A well-fitted empirical correlation was obtained in the single-factor analysis and up to 98% COD removal was attained using 50 mM H 2 O 2 . With the increase of H 2 O 2 dosage up to 50 mM, the COD removal efficiency increased rapidly due to a higher generation of hydroxyl radicals. However, this effect becomes less significant as the dosage of H 2 O 2 increases. This effect might be attributed to the consumption of hydroxyl radicals with excess H 2 O 2 . The coagulation function of Fenton's reagent was confirmed by scanning electron microscope (SEM). Using the doses and conditions identified in this study, the treated oil-water emulsion can be discharged according to Chinese Standard JS-7740-95.

[pt] O escoamento trifásico na indústria do petróleo é caracterizado pela presença das fases gás, óleo e água. A presença da terceira fase (água) traz complexidade a esse processo, visto que pode provocar a formação de diversos novos padrões de escoamento, além dos já conhecidos para escoamento bifásico. Adicionalmente, a presença de uma fase líquida dispersa na outra pode formar uma emulsão, alterando significativamente a viscosidade e, assim, influenciando diretamente na perda de carga. O foco do presente trabalho é na previsão do padrão de golfadas com dispersões de água e óleo utilizando um modelo transiente unidimensional de Dois Fluidos. A presença da água é modelada através da solução da equação de conservação de massa para a fase água. Visando prever com precisão a queda de pressão, assim como a distribuição das frações volumétricas de cada fase ao longo do domínio, desenvolveu-se um modelo de fechamento algébrico para avaliar o escorregamento entre as fases líquidas. Com o modelo proposto, os resultados obtidos para a velocidade de escorregamento no escoamento água/óleo foram comparados com dados experimentais e de outros modelos, apresentando um excelente desempenho. O modelo foi então utilizado para analisar o escoamento trifásico no padrão de golfadas. As previsões para a queda de pressão e características das golfadas (comprimento, frequência e velocidade de translação) foram comparadas com dados experimentais da literatura e os resultados são promissores. / [en] The three-phase flow in the oil industry is characterized by the presence of the gas, oil and water phases. The presence of the third phase (water) adds complexity to this process, since it can cause the formation of several new flow patterns in addition to those already known for two-phase flow. Additionally, the presence of a dispersed phase into another can form an emulsion, altering significantly the viscosity and consequently influencing directly the pressure drop. The focus of this job is in the prediction of the slug flow with dispersions of water and oil using a one-dimensional transient Two Fluid model. The presence of water in the flow is modelled with the solution of an equation of conservation of mass. Intending to predict with precision the pressure drop, as the volumetric phase distribution of each phase throw the domain, an algebraic closure model was inserted to assess the slip between the liquid phases. With the proposed model, the results obtained for the slip velocity of the water/oil flow were compared with experimental data and other models, showing excellent performance. The model was then used to analyze the three-phase flow in the slug pattern. The predictions for pressure drop and characteristics of the slugs (length, frequency and translation velocity) have been compared with experimental data from the literature and the results are promising.

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A ocorrência frequente de escoamentos multifásicos em tubulações tem motivado um grande interesse acadêmico nas últimas décadas. O caso particular de escoamentos líquidolíquido é geralmente encontrado na indústria do petróleo, onde uma série de aplicações envolve escoamentos óleo-água, tais como a produção de petróleo e seu transporte. No entanto, ele não tem recebido a mesma atenção quando comparado com escoamentos gás-líquido. Ainda não existe uma explicação física razoável para um número significativo de fenômenos observados em escoamento óleo-água, como o fenômeno de redução de atrito, observado em escoamento disperso, e a estrutura interfacial ondulada em escoamento estratificado. Os escoamentos trifásicos têm sido ainda menos estudados. Há técnicas de medição, desenvolvidas para escoamento gás-líquido, que supostamente são adaptáveis aos escoamentos líquido-líquido, mas várias delas ainda precisam de validação adequada. O sensor wire-mesh, um método híbrido baseado na medição de resistência ou capacitância, que combina medição local intrusiva da fração de fase e imagens tomográficas transversais, oferece uma boa resolução espacial e alta resolução temporal em comparação com outras técnicas atuais. Porém, a literatura existente em aplicações do sensor wire-mesh cobre quase apenas o escoamento gás-líquido e, até agora, não é possível avaliar o limite de viscosidade do fluido para a sua aplicação. Neste contexto, este projeto propõe o estudo de aspectos importantes da fenomenologia de escoamentos líquido-líquido e líquido-líquido-gás com o auxílio da tecnologia wire-mesh. O principal objetivo prático é a validação da técnica wire-mesh como ferramenta de referência para o desenvolvimento de instrumentação para aplicações em campos petrolíferos, com especial atenção devotada ao efeito da viscosidade do óleo sobre a confiabilidade da medição e à extensão da tecnologia para lidar com escoamentos óleo-água-gás. / The frequent occurrence of multiphase flows in pipes has motivated a great research interest over the last decades. The particular case of liquid-liquid flow is commonly encountered in the petroleum industry, where a number of applications involve oil-water flow such as crude oil production and transportation. However, it has not received the same attention when compared to gas-liquid flow. There is no reasonable physical explanation for a significant number of phenomena observed in oil-water flow, as the drag reduction phenomenon observed in dispersed flow and the interfacial wavy structure of stratified flow. Much less has been investigated when it comes to three-phase flow. Several measurement techniques that are supposed to be adaptable to liquid-liquid flow have been proposed recently, but many of them still need proper validation. The wire-mesh sensor, a hybrid impedance-based method that combines intrusive local measurement of phase fraction and tomographic cross-sectional imaging, offers good spatial resolution and high temporal resolution in comparison with other current techniques. However, the existing literature on wire-mesh sensor applications covers almost only the gas-liquid flow and, so far, it is not possible to evaluate the fluid-viscosity limit for its application. In that context, this project proposes the study of important aspects of liquidliquid and liquid-liquid-gas flow phenomenology with the aid of the wire-mesh technology. The main goal is the validation of the wire-mesh technique as a reference tool for the development of instrumentation for oilfield application, with especial attention paid to the effect of oil viscosity on measurement reliability and the extension of the technology for dealing with oil-water-gas flow.

O escoamento estratificado óleo-água é bastante comum na indústria do petróleo, especialmente em poços direcionas offshore, oleodutos e gasodutos. Entretanto, existem poucos trabalhos na literatura sobre a natureza da estrutura ondulatória observada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes a partir da horizontal. O objetivo deste trabalho foi estudar as propriedades geométricas e cinemáticas da onda interfacial, i.e, forma média, comprimento, amplitude e celeridade, e assim contribuir para a compreensão do papel da onda interfacial na dinâmica do escoamento estratificado. Um software baseado em plataforma Labview® possibilitou a automação para obtenção dos dados das ondas interfaciais extraídas de imagens de vídeos de alta resolução. Além das propriedades das ondas, também se coletaram valores de fração volumétrica in situ e de gradiente de pressão bifásico para cinco ângulos de inclinação (-20°, -10°, 0°, 10° e 20°) em diferentes pares de vazões de óleo e água. Desenvolveu-se um modelo fenomenológico considerando os termos ondulatórios do escoamento para o cálculo da fração volumétrica in situ e do gradiente de pressão bifásico, sendo comparado com modelos disponíveis na literatura e dados experimentais. A concordância do modelo proposto com os dados coletados neste trabalho se mostrou muito boa, o que sugere um avanço em comparação ao existente na literatura. O estudo da equação da onda de perturbação interfacial para o escoamento estratificado óleo-água indicou que a natureza da onda observada é cinemática e não dinâmica; e baseado na equação da celeridade da onda cinemática pode-se confrontar a celeridade experimental com a teórica, revelando boa concordância. / The oil-water stratified flow is quite common in the oil industry, especially in offshore directional wells and pipelines. However, there are few studies on the physics of the wavy structure observed in upward and downward stratified flow. The goal of this work was to study the geometric and kinematic properties of interfacial waves, i.e., the average shape, wavelength, amplitude and celerity. A homemade Labview®-based software enabled the automatic acquisition of data extracted from frames obtained via high resolution video recording. In situ volume fraction and two-phase pressure gradient data for five inclination angles (-20°, -10°, 0°, 10° and 20°) at several pairs of oil and water flow rates were also collected. A phenomenological model that takes into account the wavy structure is proposed to calculate volume fractions and two-phase pressure gradient and it was compared with available models from the literature and experimental data. The good agreement of the proposed model with the data collected in this study is promising and suggests that it may provide better predictions in comparison with models from the literature. The study of the interfacial perturbation wave equation for stratified flow indicates that the observed waves nature is kinematic and not dynamic; and based on the kinematic wave velocity equation we could compare the experimental celerity with the theoretical one, with good agreement.

Embora o escoamento estratificado óleo-água seja comum na indústria do petróleo, existem poucos trabalhos na literatura sobre a estrutura ondulatória encontrada no escoamento em dutos ascendentes ou descendentes. O objetivo deste trabalho é entender e caracterizar as estruturas interfaciais ondulatórias em escoamentos estratificados óleo e água em dutos levemente inclinados e comparar com os resultados retirados da modelagem proposta. Uma primeira tentativa de modelar a onda interfacial óleo-água através da equação da energia bifásica unidimensional para regime permanente é apresentada e comparada aos resultados obtidos experimentalmente. Valores de comprimento de onda foram coletados para quatro ângulos de inclinação a partir da horizontal (-5º, -2º, 2º e 5º) e diversos pares de vazão de óleo e água. Os dados foram extraídos de frames de vídeos de alta resolução através de uma técnica manual. Um software baseado em LabView foi desenvolvido para possibilitar a automação da obtenção do comprimento de onda e amplitude. Os comprimentos de onda obtidos com a técnica automática foram comparados com os dados obtidos através da técnica manual. O mensuramento é bem satisfatório e sugere que a ferramenta experimental proposta possa ser aplicada para o estudo de qualquer padrão de escoamento óleo-água, onde uma estrutura ondulatória possa ser identificada. A validade da modelagem da onda interfacial proposta foi avaliada através da comparação entre os resultados teóricos e dados experimentais. A concordância observada é encorajadora. / Even though the oil-water stratified flow pattern has a common occurrence in the upstream oil industry, quite often in directional wells, there are only a few works in the literature dealing with its interfacial wavy structure. This work has the mean goal of comprehending a characterizing the interfacial wave structure in inclined water-oil stratified pipe flow, comparing it with the proposed model. A model, based on the steady-state one-dimensional two-phase flow energy equation is presented and compared to our experimental data. Wave lengths and amplitude data were collected at four inclinations from the horizontal (-5º, -2º, 2º and 5º) and several oil and water flow rates. The data were extracted form high-resolution video images through a manual technique. A LabView based software was developed in order to obtain the lengths and amplitude automatically. Wave length obtained from it were compared to the manual technique data. The satisfactory measurement suggests the applicability of the experimental tool to any water-oil pipe flow pattern, where a wave structure can be identified. The validity by the comparison between theoretical and experimental data. The agreement observed is promising.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:42:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaoMApdf.pdf: 2174206 bytes, checksum: a1de24fc592da4515b2bf51d89278503 (MD5) Previous issue date: 2009-03-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The separation oil-water by the use of flotation process is characterized by the involvement between the liquid and gas phases. For the comprehension of this process, it s necessary to analyze the physical and chemical properties command float flotation, defining the nature and forces over the particles. The interface chemistry has an important role on the flotation technology once, by dispersion of a gas phase into a liquid mixture the particles desired get stuck into air bubbles, being conduced to a superficial layer where can be physically separated. Through the study of interface interaction involved in the system used for this work, was possible to apply the results in an mathematical model able to determine the probability of flotation using a different view related to petroleum emulsions such as oil-water. The terms of probability of flotation correlate the collision and addition between particles of oil and air bubbles, that as more collisions, better is the probability of flotation. The additional probability was analyzed by the isotherm of absorption from Freundlich, represents itself the add probability between air bubbles and oil particles. The mathematical scheme for float flotation involved the injected air flow, the size of bubbles and quantity for second, the volume of float cell, viscosity of environment and concentration of demulsifier. The results shown that the float agent developed by castor oil, pos pH variation, salt quantity, temperature, concentration and water-oil quantity, presented efficient extraction of oil from water, up to 95%, using concentrations around 11 ppm of demulsifier. The best results were compared to other commercial products, codified by ―W‖ and ―Z‖, being observed an equivalent demulsifier power between Agflot and commercial product ―W‖ and superior to commercial product ―Z‖ / A separa??o ?leo/?gua pelo processo de flota??o ? caracterizada pelo envolvimento entre as fases l?quida e gasosa. Para a compreens?o desse processo, ? necess?rio estudar as propriedades f?sicas e qu?micas que governam a flota??o, estabelecendo a natureza e as for?as entre as part?culas. A qu?mica de interfaces desempenha um papel importante na tecnologia de flota??o, onde, por dispers?o de uma fase gasosa em uma mistura na fase l?quida, as part?culas a serem flotadas prendem-se ?s bolhas de ar e s?o conduzidas at? a camada superficial da solu??o, onde s?o separadas fisicamente. Atrav?s do estudo das intera??es interfaciais envolvidas, foi poss?vel aplicar seus resultados em uma equa??o que determina a probabilidade de flota??o por uma nova ?tica relacionada ?s emuls?es de petr?leo do tipo ?leo/?gua. Os termos da probabilidade de flota??o correlacionam os fen?menos de colis?o e de ades?o entre as part?culas de ?leo e as bolhas de ar. Na probabilidade de colis?o observa-se que quanto maior o n?mero de colis?es maior a probabilidade de flota??o. A probabilidade de ades?o foi analisada atrav?s da isoterma de adsor??o de Freundlich, que representa a probabilidade de ades?o entre as bolhas de ar e as part?culas de ?leo. A modelagem matem?tica para a flota??o envolveu o fluxo de ar injetado, o tamanho das bolhas de ar, a quantidade de bolhas por segundo, o volume da c?lula de flota??o, a viscosidade e a concentra??o do desemulsificante. Os resultados mostraram que o agente de flota??o desenvolvido a partir do ?leo de mamona, ap?s a varia??o do pH, salinidade, temperatura, concentra??o de desemulsificante e teor de ?leo/?gua, apresentou uma efici?ncia de remo??o de ?leo em ?gua acima dos 95%, usando uma concentra??o em torno de 11 ppm de desemulsificante. Os melhores resultados foram comparados com outros produtos comerciais, codificados por ―W‖ e ―Z‖, sendo observado um poder desemulsificante equivalente entre o Agflot e o produto comercial ―W‖ e superior ao produto comercial ‖Z‖

<p>The elastic properties of oil/water/surfactant interfaces play an important role in the phase behaviour of microemulsions and for the stability of macroemulsions. The aim of this thesis is to obtain an understanding of the relationship between the structure of the surfactant molecules, the structure of the interface, and macroscopic interfacial properties. To achieve this aim, we performed molecular simulations of oil/water/surfactant systems. We made a quantitative comparison of various model surfactants to determine how structural changes affect interfacial properties and film rupture. The model consists of water, oil, head, and tail beads, and surfactants are constructed by coupling head and tail beads with harmonic springs. We used a hybrid dissipative particle dynamics-Monte Carlo scheme. The former was used to simulate particle trajectories and the Monte Carlo scheme was used to mimic experimental conditions: bulk-interface phase equilibrium, tensionless interfaces in microemulsions, and the surface force apparatus.</p><p>A detailed comparison of various non-ionic model surfactants showed how structural changes affect interfacial properties:</p><p>Comparison between linear and branched surfactants showed that the efficiency of adsorption is higher for linear surfactants, although branched surfactants are more efficient at a given surface density. Linear surfactants can be more efficient also at the same surface density if the head group is sufficiently soluble in oil, because low head-oil repulsion makes the branched isomers stagger at the interface. The bending rigidity is higher for linear surfactants. Furthermore, branched surfactants make oil droplets coalesce more easily than linear surfactants do, but linear and branched surfactants have roughly the same effect on water droplet coalescence. </p><p>Comparison of linear surfactants with varying chain lengths showed that longer surfactants have a lower surface tension and higher bending rigidity. The increase in rigidity with chain length follows a power law, but the exponent is higher for surfactant monolayers at a fixed density than at a fixed tension. Longer tails and/or denser monolayers influence the stability of water droplets in a positive direction, and the stability of oil droplets in a negative direction. </p><p>Addition of cosurfactant showed that mixed monolayers have a lower bending rigidity than pure monolayers at the same average chain length and tension. Cosurfactants have a negative effect on the stability of water droplets, and a positive effect on the stability of oil droplets.</p> / Paper I reprinted with kind permission of EDP Sciences. Paper III reprinted with kind permission of the American Institute of Physics. Paper IV reprinted with kind permission of the American Physics Society.