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Padrões de escoamentos bifásicos em tubulações

1. Introdução


Escoamentos multifásicos gás-líquido (leia também o Artigo: O que são escoamentos multifásicos?) podem ser classificados em relação a diversos tipos de distribuições espaciais características das fases, que são conhecidas como padrões de escoamento (flow patterns) ou regimes de escoamento (flow regimes). As condições de existência desses regimes dependem de alguns parâmetros do escoamento, tais como:

  • Vazões mássicas das fases;

  • Propriedades dos fluidos envolvidos (densidade, viscosidade, tensão superficial);

  • Configuração geométrica do sistema de dutos do escoamento (inclinação, diâmetro, rugosidade).

O conhecimento do padrão de um escoamento multifásico pode ser muito útil para a determinação de diversas propriedades que são de grande interesse no contexto de projetos ou análise de sistemas.

Segundo Shoham (2006) todas as variáveis de interesse em projetos envolvendo escoamentos multifásicos em tubulações são influenciadas pelos regimes de escoamento, tais como a perda de carga, o holdup de líquido, as taxas de transferência de calor e massa, entre outras.

Sendo assim, o objetivo deste artigo é criar uma base teórica inicial e promover uma reflexão a respeito da importância de se entender as vantagens e desvantagens de modelagens numérica que levam em consideração os padrões de escoamento presentes em uma tubulação. O trabalho de Shoham (2006) é uma boa referência para usuários que desejem se aprofundar ainda mais sobre o tema.


2. Padrões de escoamento em tubulações horizontais


Na Figura 1 são apresentados os padrões que podem ser encontrados em escoamentos multifásicos em tubulações horizontais. Em classificações mais generalistas estes escoamentos podem ser divididos em três grupos:

  • Estratificados;

  • Intermitentes;

  • Distribuídos;

É importante ressaltar que neste tipo de classificação os escoamentos anulares podem ser considerados segregados ou distribuídos dependendo das vazões dos fluidos. A vazão das fases no escoamento pode conduzir a um cenário onde exista somente um filme na parede do tubo ou a distribuições onde, além do filme, existem várias bolhas dispersas no gás que escoa no centro da tubulação.

É possível também adotar uma classificação mais detalhada, onde existem sete tipos diferentes, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Representação dos padrões de escoamento em tubulações horizontais. Fonte: (SHOHAM, 2006)

3. Padrões de escoamento em tubulações verticais


Para escoamentos em tubulações verticais, a caracterização é diferente, conforme apresentado na Figura 2. Em escoamentos verticais são identificados cinco regimes diferentes, sendo eles:

  • Bolhas;

  • Escoamento em golfadas (slug flow);

  • Escoamento caótico (churn flow);

  • Escoamento anular;

  • Bolhas dispersas.

Figura 2: Representação dos padrões de escoamento em tubulações verticais. Fonte: (SHOHAM, 2006)


4. Quais são as principais característica de cada padrão de escoamento?


Conforme pôde ser observado nas Figuras 1 e 2, cada padrão de escoamento possui distribuições espaciais das fases em formatos característicos. É muito importante que se entenda como esses padrões são originados e quais as principais características físicas de cada um.

As explicações breves para cada padrão de escoamento são:

  • Escoamento estratificado liso: as fases líquida e gasosa escoam simultaneamente a baixas velocidades sem desencadear fenômenos físicos capazes de amplificar perturbações na interface. São identificados somente em tubulações horizontais ou com pequenas angulações;

  • Escoamento estratificado ondulado: aumentando a velocidade do gás no escoamento estratificado liso, instabilidades são geradas na interface, levando a formação de ondas que viajam na direção do escoamento. A amplitude das ondas formadas é dependente da velocidade relativa das duas fases, porém, as cristas das ondas formadas não atingem o topo da tubulação. As ondas sobem pelas laterais do tubo, podendo deixar para trás finos filmes de líquido na parede. São identificados somente em tubulações horizontais ou com pequenas angulações;

  • Escoamentos intermitentes: aumentando ainda mais a velocidade do gás, as ondas interfaciais crescem em amplitude, tocando o topo da tubulação. Este regime é caracterizado por ondas de grande amplitude molhando de forma intermitente a parte superior do tubo com ondas de amplitude menor entre elas. As ondas de grande amplitude podem conter pequenas bolhas de gás em seu interior. A parede superior é quase continuamente molhada pelas ondas de grande amplitude e pelos finos filmes líquidos deixados para trás. Os escoamento intermitentes podem ser subdivididos em duas categorias:

  • Bolha alongada (plug flow): nesse regime, a maior parte do gás se move em forma de grandes bolhas dispersas em um líquido contínuo, com as bolhas podendo se espalhar por grande parte da tubulação.

  • Golfadas (slug flow): Em velocidades de gás mais altas, os diâmetros das bolhas alongadas tornam-se semelhantes em tamanho à altura do canal. Os blocos de líquido que separam essas bolhas alongadas também podem ser descritos como ondas de grande amplitude. Podem existir também pequenas bolhas dentro do líquido, mas muitas delas coalescem para formar as bolhas maiores. Segundo Shoham (2006) o plug pode ser considerado um caso limite do slug onde não existem bolhas de gás presentes na frente do pistão de líquido.

  • Escoamento anular: a vazões de gás ainda maiores, o líquido forma uma película contínua ao redor do perímetro da tubulação. Para altas frações de gás, o topo do tubo, onde o filme possui espessura menor, fica seco inicialmente, de modo que o filme cobre apenas uma parte do perímetro da tubulação. A interface entre o anel de líquido formado na parede e o núcleo de vapor é perturbada por ondas de pequena amplitude e as gotículas geralmente são visualizadas dispersas no núcleo de gás.

  • Bolhas dispersas (mist flow): em velocidades muito altas, a maior parte do líquido é arrastada em forma de pequenas gotas pelo gás. O mecanismo de formação do spray consiste em um gás escoando em alta velocidade rasgando o filme líquido anular que havia se formado na parede.

5. Onde os padrões de escoamento são utilizados?


O conhecimento a respeito dos padrões de escoamento pode ajudar na escolha de modelos para simulações computacionais como, por exemplo, as simulações de escoamentos em poços de petróleo realizadas na WIKKI Brasil.

Existem modelos para estimativa da perda de carga em tubulações onde ocorre um escoamento bifásico que são baseados nos padrões de escoamento ocorrendo na tubulação, como o modelo de Beggs & Brill [2].

Além disso, existem modelos numéricos que apresentam melhores resultados em determinado padrão de escoamento. Por exemplo, escoamentos dispersos podem ser simulados utilizando modelos de partículas dispersas, porém, esses modelos não são indicados para escoamentos estratificados.

Os escoamentos bifásicos em tubulações estão presentes em diversas aplicações que a WIKKI Brasil trabalha e continuarão sendo tema de posts futuros do blog visto a importância do tema para a indústria de óleo e gás e diversos outros segmentos industriais.


6. Referências


[1] Shoham, Ovadia. "Mechanistic modeling of gas-liquid two-phase flow in pipes." (2006).

[2] Beggs, Dale H., and James P. Brill. "A study of two-phase flow in inclined pipes." Journal of Petroleum technology 25.05 (1973): 607-617

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