Orientador: Ana Maria Frattini Fileti

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A necessidade de medidores multifásicos de vazão na indústria de óleo e gás surgiu a partir da demanda por monitorar escoamentos multifásicos sem a necessidade de prévia separação das fases presentes no escoamento. Deste modo, estes medidores permitem o monitoramento cont??nuo do escoamento,...

Resumo: A necessidade de medidores multifásicos de vazão na indústria de óleo e gás surgiu a partir da demanda por monitorar escoamentos multifásicos sem a necessidade de prévia separação das fases presentes no escoamento. Deste modo, estes medidores permitem o monitoramento cont??nuo do escoamento, além de apresentar custo reduzido de instalação e manutenção em relação aos separadores mutifásicos. Em relação aos medidores multifásicos existentes, o ultrassom apresenta vantagens devido ao baixo custo, resposta rápida, caráter não intrusivo e não invasivo, e adequação de uso em meios opacos o que confere versatilidade quanto a aplicação. Embora diversos tipos de medidores multifásicos tenham sido propostos, nota-se ausência de trabalhos efetuando o cálculo da vazão da fase dispersa utilizando somente o ultrassom. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo propor um procedimento para determinar a vazão da fase dispersa em escoamento bolhas utilizando uma montagem experimental coluna de bolhas. A coluna foi instrumentada com sensores de pressão, temperatura e vazão para determinar as propriedades de ambos os fluidos e uma câmera de filmagem rápida para caracterizar o escoamento bolhas. Os experimentos foram realizados variando a vazão de ar na faixa de 0 a 4 litros por minuto, com a fase l??quida estagnada. Cada medição foi repetida 5 vezes em 9 experimentos, resultando em 405 medições. Foram utilizados: água como fase cont??nua e ar como fase dispersa. O sistema de aquisição utilizado operou no modo pulso-eco parametrizado com a taxa de amostragem de 50 MHz, taxa de pulsação de 2 kHz e transdutor único inclinado. Foram testados transdutores com frequencia central de 1, 2,25 e 5 MHz. Além disto, os transdutores foram posicionados nas inclinações de 5, 10 e 15° em relação ao escoamento. A partir dos sinais ultrassônicos de um único transdutor inclinado, foi utilizada a técnica de correlação cruzada para mensurar a velocidade das bolhas e o coeficiente de variação para estimar as frações de vazio da fase dispera. Além disto, foi utilizado a técnica de casamento de modelo para determinar a velocidade da fase dispersa a partir das imagens obtidas do escoamento. Foi proposto um procedimento para a determinação da vazão utilizando apenas sinais ultrassônicos. Os melhores resultados de vazão foram obtidos com o transdutor inclinado 10° e frequência central de 1 ou 2,25 MHz, apresentando desvios máximos da referência de 20%

Abstract: The need for multiphase flow meters in the oil and gas industry arose from the demand for monitoring multiphase flows without prior separation of the phases present in the flow. In this way, these meters allow continuous flow monitoring, in addition to having reduced installation and...

Abstract: The need for multiphase flow meters in the oil and gas industry arose from the demand for monitoring multiphase flows without prior separation of the phases present in the flow. In this way, these meters allow continuous flow monitoring, in addition to having reduced installation and maintenance costs in relation to the multiphase separators. In relation to the existing multiphase meters, ultrasound has advantages due to its low cost, quick response, non-intrusive and non-invasive character, and suitability for use in opaque media, which provides versatility in terms of an application. Although several types of multiphase meters have been proposed, there is an absence of papers calculating the flow rate of the dispersed phase using only ultrasound. Therefore, this work aims to propose a procedure to determine the flow rate of the dispersed phase in the flow of bubbles using an experimental bubble column. The bubble column was instrumented with pressure, temperature and flow sensors to determine the properties of both fluids and a high-speed camera to characterize the flow of bubbles. The experiments were carried out by varying the air flow in the range of 0 to 4 liters per minute, with stagnant liquid phase. Each measurement was repeated 5 times in 9 experiments, resulting in 405 measurements. The two-phase mixture was composed by water as continuous phase and air as dispersed phase. The acquisition system operated in parameterized pulse-echo mode with a sampling rate of 50 MHz, a pulse rate of 2 kHz and a single inclined transducer. Transducers were tested with a central frequency of 1, 2.25 and 5 MHz. In addition, the transducers were inclined by 5, 10 and 15° in relation to the flow. From the ultrasonic signals of a single inclined transducer, the cross correlation technique was used to measure the velocity of the bubbles and the coefficient of variation to estimate the void fractions of the dispersed phase. In addition, the model matching technique was used to determine the velocity of the dispersed phase from the flow images. A procedure for determining the flow rate using only ultrasonic signals has been proposed. The best flow results were obtained with the inclined transducer 10° and central frequency of 1 or 2.25 MHz, with maximum deviations from the reference of 35 %

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