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.

Multiphase flows are of great interest to a large variety of industries because flows of two or more immiscible liquids are encountered in a diverse range of processes and equipment. However, the advent of high viscosity oil requires more investigations to enhance good design of transportation system and forestall its inherent production difficulties. Experimental and numerical studies were conducted on water-sand, oil-water and oilwater- sand respectively in 1-in ID 5m long horizontal pipe. The densities of CYL680 and CYL1000 oils employed are 917 and 916.2kg/m3 while their viscosities are 1.830 and 3.149Pa.s @ 25oC respectively. The solid-phase concentration ranged from 2.15e-04 to 10%v/v with mean diameter of 150micron and material density of 2650kg/m3. Experimentally, the observed flow patterns are Water Assist Annular (WA-ANN), Dispersed Oil in Water (DOW/OF), Oil Plug in Water (OPW/OF) with oil film on the wall and Water Plug in Oil (WPO). These configurations were obtained through visualisation, trend and the probability density function (PDF) of pressure signals along with the statistical moments. Injection of water to assist high viscosity oil transport reduced the pressure gradient by an order of magnitude. No significant differences were found between the gradients of oil-water and oil-water-sand, however, increase in sand concentration led to increase in the pressure losses in oil-water-sand flow. Numerically, Water Assist Annular (WA-ANN), Dispersed Oil in Water (DOW/OF), Oil Plug in Water (OPW/OF) with oil film on the wall, and Water Plug in Oil (WPO) flow pattern were successfully obtained by imposing a concentric inlet condition at the inlet of the horizontal pipe coupled with a newly developed turbulent kinetic energy budget equation coded as user defined function which was hooked up to the turbulence models. These modifications aided satisfactory predictions.

No description available.

[pt] Muitas indústrias, como as de petróleo, cosméticos e farmacêuticos, buscam estabilizar emulsões de forma efetiva e com menor custo. O uso de partículas sólidas como agentes emulsificantes (emulsões Pickering) tem apresentado grandes benefícios, como custo e estabilidade das emulsões, quando comparados aos surfactantes, que são utilizados na emulsão clássica. A eficácia de uma determinada partícula na estabilização de uma emulsão depende das suas propriedades e da sua interação com as fases oleosa e aquosa da emulsão. Essas partículas sólidas adsorvem-se na interface óleo-água criando uma fina camada entre as fases, evitando a coalescência das gotas. Uma forma de estudar a estabilidade de emulsões Pickering é analisar o experimento de coalescência de duas interfaces óleo-água que são forçadas uma contra a outra. A metodologia deste trabalho baseou-se em medições do tempo de coalescência de uma gota de óleo, presente em uma dispersão aquosa de nanopartículas, quando a mesma é forçada contra uma interface óleoágua. Para a correta visualização e registro do momento da coalescência da gota utilizou-se uma câmera de alta velocidade (Photron FastCam SA3). As nanopartículas utilizadas foram: Laponita RD, dióxido de titânio HAc e Aerosil R972. Observou-se tempos de coalescência maiores para testes com dispersões aquosas de Laponita RD 1,0 porcento (m/m) e de Aerosil R972 0,0024 porcento (m/m) do que para testes com água pura (Milli-Q). / [en] Several industries, such as oil and gas, cosmetics, and pharmaceutical, seek to stabilize emulsions more effectively and at a lower cost. As compared to surfactants, which are used in classic emulsions, the use of solid particles as emulsifying agents (Pickering emulsions) has presented great benefits, including lower costs and better emulsion stability. A particle s effectiveness on stabilizing an emulsion is related to its properties, as well as its interaction with the oil and water phases of the emulsion. These solid particles adsorb at the oil-water interface, creating a thin layer between the phases, and thus avoiding the coalescence of the droplets. One method to study the stability of Pickering emulsions is to analyze the coalescence experiment of two oil-water interfaces that are forced against each other. The methodology of this work was based on measurements of the coalescence time of an oil droplet in an aqueous dispersion of nanoparticles, when it is forced against an oil-water interface. A high speed camera (Photron FastCam SA3) was used for the proper visualization and recording of the moment of drop coalescence. The three types of nanoparticles used were: Laponite RD, titanium dioxide HAc, and Aerosil R972. Longer coalescence times were observed for tests with aqueous dispersions of Laponite RD 1.0 percent (w/w) and Aerosil R972 0.0024 percent (w/w) versus tests with plain water (Milli-Q).

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura. / Two-phase flows are present in many natural and industrial processes, such as in the oil industry. They may be found arranged in several flow patterns, including the wavy stratified flow and the stratified with mixing at the interface. The stratified oil-water flow has been used as a convenient way to avoid the formation of emulsions of water in oil and have a common occurrence in directional oil wells. When the interfacial wave exceeds a certain geometric and kinematic limit the phenomenon of drop entrainment arises at the interface, causing an increase of pressure drop. Models have been presented in the literature in an attempt to describe the phenomenon of drop entrainment. In this work, we present a new method for the one-dimensional mathematical modeling of entrainment in order to improve the prediction of oil volume fraction and pressure drop. It was also used a commercial computational fluid dynamics tool (CFD) to obtain the values of flow parameters of wavy stratified oil-water flow, such as oil volume fraction, pressure drop, amplitude and length of the interfacial waves. The results of the phenomenological modeling for entrainment and CFD were compared with experimental databases. The CFD results are in agreement with the experimental results in both the qualitative analysis of the geometric properties of the interfacial waves and in direct comparison with oil-volumetric-fraction and pressure-drop data. The numerical results of the phenomenological model for entrainment factors are in agreement with data from the literature.

O escoamento estratificado óleo-água é comum na indústria de petróleo, em particular em poços direcionais e oleodutos. Estudos recentes mostram que o fenômeno de transição de padrões de escoamento de fases separadas pode estar relacionado à estrutura ondulatória da interface do escoamento (problema de estabilidade hidrodinâmica). A transição do padrão estratificado ao padrão estratificado com mistura na interface foi estudada por diversos autores sendo que a física envolvida está clara, e o fenômeno ocorre pelo arrancamento de gotículas da crista da onda interfacial. Técnicas baseadas na análise temporal da estabilidade hidrodinâmica para a proposição de critérios de transição são comumente encontradas na literatura. Entretanto, para certas condições de escoamento, foi observado que o padrão de escoamento estratificado muda ao longo da tubulação. O escoamento adentra a tubulação como estratificado ondulado e alguns diâmetros após a entrada ocorre a transição para o padrão bolhas alongadas. Foi também observado que o ponto no espaço em que o fenômeno ocorre varia com a elevação ou decréscimo das velocidades superficiais das fases. Aparentemente, tal fenômeno ocorre devido a efeitos de tensão interfacial e ângulo de contato. O modelo de dois fluidos unidimensional, a teoria da estabilidade hidrodinâmica linear (análise espacial) e dados experimentais das propriedades da onda interfacial são utilizados para estudo do escoamento, levando a um novo critério de transição em função da velocidade da onda interfacial. O fenômeno de transição espacial do padrão estratificado ocorre fora da região delimitada como estável pela teoria linear; assim, efeitos não lineares são predominantes e uma teoria que leve em consideração tais efeitos se faz necessária. O método das características foi utilizado e buscou-se prever o ponto no espaço em que a transição ocorre. O estudo experimental foi realizado em montagem experimental do Laboratório de Engenharia Térmica e Fluidos; dados experimentais permitiram a obtenção de uma nova carta de fluxo óleo-água e propriedades da onda interfacial. As comparações entre dados e previsões dos modelos são encorajadoras. / The stratified oil-water flow pattern is of common occurrence in the petroleum industry, especially in offshore directional wells and pipelines. Previous studies have shown that the phenomenon of flow pattern transition in stratified flow can be related to the interfacial wave structure (problem of hydrodynamic instability). The transition from stratified flow to stratified with mixture at the interface has been studied by several authors and the physics behind the phenomenon has been already explained, basically by the tearing of droplets from the interfacial wave crest. Techniques based on a temporal analysis of the hydrodynamic stability for the proposition of transition criteria are often found in the literature. However, at certain inlet flow conditions, it was observed that the flow pattern changes along the test line. The flow enters the test line as wavy stratified flow and then, several diameters from the pipe inlet, the transition to elongated-bubbles flow occurs. It was also observed that the location where the transition occurs also changes depending on the phases superficial velocities. It seems that this phenomenon occurs due to interfacial tension and contact angle effects. The one-dimensional two-fluid model, linear stability theory (spatial approach) and experimental data of the interfacial wave properties are used to study the flow and a new transition criterion based on the wave celerity is proposed. The stratified-flow spatial transition occurred outside the region delimitated as stable by the linear theory; so nonlinear effects are prominent. The method of characteristics was used as an attempt to predict the point in space at which the transition occurs. The experimental work was done at the experimental facility of the Thermal-fluids Engineering Laboratory; experimental data allowed a new oil-water flow map and interfacial wave properties were acquired. The agreement between data and prediction is encouraging.

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.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-08-16T11:47:56Z No. of bitstreams: 1 FABIANA MEDEIROS DO NASCIMENTO SILVA - TESE (PPGEQ) 2017.pdf: 6622967 bytes, checksum: bfed827814b744a5e9e9e565d28f0682 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T11:47:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FABIANA MEDEIROS DO NASCIMENTO SILVA - TESE (PPGEQ) 2017.pdf: 6622967 bytes, checksum: bfed827814b744a5e9e9e565d28f0682 (MD5) Previous issue date: 2017 / Capes / O presente trabalho tem como objetivo geral sintetizar as membranas zeolíticas (Mordenita/α-alumina), utilizando os métodos de síntese hidrotérmica, crescimento secundário: dip-coating e transporte em fase vapor, para serem avaliadas no processo de separação emulsão óleo/água. Dentro deste contexto foram avaliados alguns parâmetros, destacando-se, a influência do tempo de cristalização na síntese da zeólita mordenita, a influência do precursor (sulfato de alumínio e gibsita) na síntese da membrana zeolítica, influência dos métodos de síntese das membranas zeolíticas e os testes de permeação de água e o processo de separação emulsão óleo/água. A síntese da zeólita mordenita foi realizada utilizando o método hidrotérmico a 170°C, com tempos de cristalização de 24, 36, 48, 72, 96 e 120 horas, a fim de avaliar a cristalinidade da zeólita, e selecionar o melhor tempo para a síntese das membranas zeolíticas. Os suportes cerâmicos α-alumina foram preparados a partir da decomposição dos precursores sulfato de alumínio a 1000°C e gibsita a 1200ºC por 2 horas, e conformados, compactados e sinterizados a 1300ºC por 2h, e então submetidos às técnicas de caracterização: Difratometria de raios X (DRX), Adsorção Física de Nitrogênio, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Fluorescência de raios X por Energia Dispersiva (FRX-ED) e Termogravimétrica/Térmica Diferencial (TG/DTA). As membranas zeolíticas foram sintetizadas pelos métodos de síntese hidrotérmica, crescimento secundário: dip-coating e transporte em fase vapor a 170°C por 72h e caracterizadas por DRX e MEV. Os suportes cerâmicos e as membranas zeolíticas foram avaliadas em testes de permeação de água e no sistema de separação emulsão óleo/água de um efluente sintético, utilizando um processo de separação por membrana (PSM). Os ensaios foram realizados nas condições de concentração inicial da emulsão 100 mg.L-1, temperatura de 25 °C e pressão de 2,5 bar, permitindo avaliar a permeabilidade e a seletividade a partir da variação da concentração do permeado em (mg.L-1) e da percentagem de rejeição ao óleo (%R). A partir dos resultados obtidos para a síntese dos materiais, pode-se observar a efetiva formação da zeólita mordenita em fase pura e cristalina. Os precursores foram decompostos de maneira satisfatória obtendo a fase α-alumina. A manutenção da fase α-alumina pós-produção dos suportes cerâmicos foi confirmada após caracterização. De acordo com os resultados exibidos pelas análises de DRX e MEV as membranas zeolíticas MZMOR/α-alumina apresentaram uma distribuição homogênea e uniforme dos cristais zeolíticos correspondentes à fase mordenita, sem a presença de impurezas, livres de defeitos e sem fissuras, confirmando a formação da estrutura da membrana zeolítica pelos três métodos de síntese, utilizados neste trabalho. A zeólita mordenita se mostrou excelente em relação à adesão e formação da camada zeolítica sobre o suporte cerâmico α-alumina. A partir da avaliação da permeabilidade e seletividade nos testes de separação da emulsão óleo/água, pode-se concluir que a inserção da zeólita mordenita aos suportes cerâmicos melhorou o processo de separação da emulsão óleo/água. Em termos de eficiência no processo de separação, considera-se que a membrana zeolítica MZMOR/α – Al2O3 (SHGB) foi a que apresentou melhor relação entre fluxo e capacidade seletiva, mostrando a eficácia da utilização das membranas zeolíticas. Todas as membranas zeolíticas sintetizadas e avaliadas mostraram-se promissoras. / The objective of the present work is to synthesize zeolite membranes (Mordenite/α-alumina) using hydrothermal synthesis, secondary growth: dip-coating and vapor-phase transport, to be evaluated in the oil/water emulsion separation process. The influence of the crystallization time on the synthesis of the mordenite zeolite, the influence of the precursor (aluminum sulphate and gibsite) on the synthesis of the zeolite membrane, influence of the synthesis methods of the zeolite membranes and the water permeation tests and the oil/water emulsion separation process. The synthesis of the mordenite zeolite was performed using the hydrothermal method at 170°C, with crystallization times of 24, 36, 48, 72, 96 and 120 hours, in order to evaluate the crystallinity of the zeolite, and to select the best time for the synthesis of zeolite membranes. The α-alumina ceramic supports were prepared from the decomposition of the aluminum sulfate precursors at 1000°C and gibsite at 1200°C for 2 hours, and conformed, compacted and sintered at 1300°C for 2h, and then submitted to the characterization techniques: (XRD), Nitrogen Physical Adsorption, Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Fluorescence Spectroscopy (FRX-ED) and Thermogravimetric/Differential Thermal (TG/DTA). The zeolite membranes were synthesized by hydrothermal synthesis, secondary growth: dip-coating and vapor-phase transport at 170°C for 72 hours and characterized by XRD and SEM. Ceramic supports and zeolite membranes were evaluated in water permeation tests and in the oil/water emulsion separation system of a synthetic effluent using a membrane separation process. The tests were carried out under the conditions of initial concentration of the emulsion 100 mg.L-1, temperature of 25°C and pressure of 2,5 bar, allowing to evaluate the permeability and the selectivity from the variation of the permeate concentration in (mg. L-1) and the percentage of oil rejection (% R). From the results obtained for the synthesis of the materials, it is possible to observe the effective formation of zeolite mordenite in pure and crystalline phase. The precursors were satisfactorily decomposed to give the α-alumina phase. The maintenance of the post-production α-alumina phase of the ceramic supports was confirmed after characterization. The MZMOR/α-alumina zeolite membranes presented a homogeneous and uniform distribution of the zeolite crystals corresponding to the mordenite phase, without the presence of impurities, free of defects and without cracks, confirming the formation of the structure of the zeolite membrane by the three methods of synthesis, used in this work. The mordenite zeolite showed excellent adhesion and formation of the zeolitic layer on the ceramic support α-alumina. From the evaluation of the permeability and selectivity in the oil/water emulsion separation tests, it can be concluded that the insertion of the mordenite zeolite to the ceramic supports improved the separation process of the oil/water emulsion. In terms of efficiency in the separation process, the zeolite membrane MZMOR/α-Al2O3(SHGB) was considered to have the best relationship between flow and selectivity, showing the efficacy of zeolite membranes. All zeolite membranes synthesized and evaluated were promising.

Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-19T12:49:52Z No. of bitstreams: 1 ANTUSIA DOS SANTOS BARBOSA - TESE (PPGEQ) 2015.pdf: 4188064 bytes, checksum: b6d46e877c5fce328aa4e68c61e9dcb9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T12:49:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANTUSIA DOS SANTOS BARBOSA - TESE (PPGEQ) 2015.pdf: 4188064 bytes, checksum: b6d46e877c5fce328aa4e68c61e9dcb9 (MD5) Previous issue date: 2015 / As membranas zeolíticas têm despertado interesse nos pesquisadores em processos de separação e catálise, uma vez que elas apresentam elevada estabilidade térmica e química, são altamente seletivas, devido ao potencial no peneiramento molecular. A inovação deste estudo se dá na síntese da membrana zeolítica Y/ɣ-alumina para separação óleo/água. Este trabalho teve como objetivos: preparar a zeólita Y via síntese hidrotérmica, ɣ-alumina pelas decomposições do sulfato de alumínio e acetato de alumínio e membranas zeolíticas utilizando 3 métodos distintos: transporte a vapor e crescimento secundário: dip-coating e rubbing. Os produtos obtidos foram caracterizados por DRX, Adsorção Física de Nitrogênio, MEV, ATD e TG, FRX-ED e Porosimetria de Mercúrio. Além da síntese e caracterização, numa segunda etapa as membranas zeolíticas foram avaliadas no processo de remoção óleo/água de um efluente sintético, utilizando uma coluna de separação por membrana. Os ensaios foram realizados nas condições de concentração inicial do óleo 500 mg.L-1, Temperatura igual a 25 °C e Pressão atmosférica, permitindo observar a variação da concentração do permeado em (mg.L-1) e o coeficiente de rejeição (R%). Para síntese da alumina foram utilizadas os precursores sulfato de alumínio e acetato de alumínio, utilizando temperaturas de decomposição de 1000 ºC e 850 °C, respectivamente. Foi selecionada a alumina que obteve menor custo operacional, ou seja, ɣ-alumina oriunda da decomposição térmica do sulfato de aluminio. A zeólita Y e as membranas zeolíticas Y/ɣ-alumina foram preparadas em condições hidrotérmica, com temperatura de 90 ºC, durante 7 horas. Foram realizadas modificações térmicas (500, 600, 700, 750, 800, 900, 950, 1000 e 1100 °C) por período de 1 e 2 horas no sulfato de alumínio (após moagem, conformação e compactação). Baseado nos resultados de DRX pode-se concluir que: (i) os materiais de partida (sulfato de alumínio e acetato de alumínio), evoluem termicamente, resultando como produto final em ɣ-alumina; (ii) é possível obter a zeólita Y; observou-se também a formação dos suportes cerâmicos ɣ-alumina, após sinterização. O estudo térmico realizado no suporte cerâmico (DTSA) evidenciou que a temperatura ótima deve limitar-se em valores entre 700-750 °C/1h. O maior valor de cristalinidade foi observada para o suporte tratado a 700 °C/1h. O mesmo foi classificado como um material mesoporoso podendo ser utilizados em processos de ultrafiltração (UF). Os resultados obtidos por caracterização das membranas zeolíticas evidenciaram que as mesmas foram obtidas com sucesso independente do método utilizado. Dos testes de separação da emulsão óleo/água pode-se concluir que a inserção da zeólita (Y) ao suporte cerâmico (ɣ-alumina) melhorou o processo de separação da emulsão óleo/água. Como conclusão geral, as membranas zeolíticas obtidas utilizadas em coluna de separação por membrana são bastante promissoras no processo de separação emulsão óleo/agua. / The zeolite membranes have attracted attention of researchers in separation processes and catalysts since they have high thermal and chemical stability, are highly selective because of the potential on the molecular sieve. The innovation of this study gives the synthesis of zeolite membrane Y/ɣ-alumina for oil/water separation. This study aimed to: prepare the zeolite Y via hydrothermal synthesis, ɣalumina by decomposition of aluminum sulfate and ethyl aluminum and zeolite membranes using three different methods: steam transportation and secondary growth: dip-coating and rubbing. The products obtained were characterized by XRD, nitrogen adsorption of Physics, SEM, DTA and TG, ED-XRF and Porosimetry Mercury. In addition to the synthesis and characterization in a second step the zeolite membranes were evaluated in the process of removing oil/water of a synthetic effluent using a column separation membrane. Assays were performed under the conditions of the initial oil concentration 500 mg.L-1, temperature of 25 °C and atmospheric pressure, allowing to observe the change in concentration of the permeate (mg.L-1) and the rejection coefficient ( R%). For synthesis of the precursors used were alumina aluminum sulfate and aluminum acetate using decomposition temperatures of 1000 °C and 850 °C respectively. Was selected alumina which had lower operating costs, so, ɣ-alumina originating from the thermal decomposition of aluminum sulfate. The zeolite Y and zeolite membranes Y/ɣ-alumina were prepared in hydrothermal conditions, with a temperature of 90 for 7 hours. Thermal changes were performed (500, 600, 700, 750, 800, 900, 950, 1000 and 1100 °C) per period of 1 hour and 2 hours in aluminum sulphate (after milling, shaping and compacting). Based on the XRD results it can be concluded that: (i) the starting materials (aluminum sulphate and aluminum acetate) to evolve heat, resulting in a finished product ɣ alumina; (ii) it can get the zeolite Y; It also noted the formation of ɣ-alumina ceramic brackets after sintering. Thermal study on ceramic support (DTSA) showed that the optimum temperature should be limited to values between 700-750 °C/1h. The greatest amount of crystallinity was observed for material treated at 700 °C/1h. The same was classified as a mesoporous materials can be used in ultrafiltration process (UF). The results of the characterization of the zeolite membranes showed that they were obtained with successful independent of the method used. From tests separation of the emulsion oil/water can be concluded that the insertion of zeolite (Y) to the ceramic support (ɣ-alumina) improved separation process of the oil/water emulsion. As a general conclusion, the obtained zeolite membranes used in membrane separation column are very promising in the separation process oil / water emulsion.

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.