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Memorias del Congreso ASME USB 2009:

VIII CONGRESO ANUAL DE INGENIERÍA ASME USB 2009 26, 27 y 28 de noviembre, 2009, Caracas - Venezuela

AUSB2009-010101

DETERMINACIÓN DE ALTURA DE FASE Y HOLD UP PARA FLUJO BIFÁSICO LÍQUIDO-LÍQUIDO EN TUBERÍAS HORIZONTALES POR MEDIO DE PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

Montoya, Gustavo / Universidad Simón Bolívar García, Katherina / Universidad Simón Bolívar

Valecillos, María T. / Universidad Simón Bolívar

García, Janneth / Universidad Simón Bolívar

Romero, Carlos / Universidad Simón Bolívar

González-Mendizabal, Dosinda / Universidad Simón Bolívar

RESUMEN

Se visualizaron patrones de flujo para el sistema agua-aceite en tuberías horizontales y se relacionaron con parámetros hidrodinámicos calculados a partir de un algoritmo computacional generado para este trabajo. Para ello, se adquirieron imágenes con una cámara de alta velocidad en el equipo del Laboratorio de Fenómenos de Transporte de la Universidad Simón Bolívar. Para diferentes juegos de caudales se caracterizaron los patrones de flujo de acuerdo con la clasificación propuesta por Trallero et al. [1] y se procesaron las fotografías tomadas, determinándose la altura de la fase y el hold-up. Como resultado, se registraron cuatro patrones: dos segregados (ST y ST&MI) y dos dispersos (o/w y Do/w&w). Finalmente, se elaboró un mapa de patrones de flujo en función de las velocidades superficiales y se relacionó el comportamiento de los parámetros hidrodinámicos en función de los patrones presentados.

INTRODUCION

Los sistemas de flujo bifásico líquido-líquido se encuentran presentes en múltiples operaciones a nivel industrial, es por ello que su estudio se ha realizado por más de 30 años. Recientemente, los sistemas multifásicos han cobrado interés gracias a sus aplicaciones en reactores de lechos catalíticos, debido a los fenómenos de transferencia de calor, momentum y masa que están implícitos en la fluido dinámica de estos sistemas. (Irandoust y Andersson [2]).

Más frecuentemente, el principal escenario en el que se presenta el flujo líquido-líquido a través de tuberías es

en la industria petrolera, tanto en yacimientos como en el transporte del crudo, el cual puede venir acompañado de agua, gas natural y sólidos en suspensión.

El principal problema que se presenta es el de predecir la configuración que el crudo adoptará a su paso por la tubería, ya que de ello depende la caída de presión asociada, las dimensiones de la tubería y la prevención del fenómeno de corrosión interna.

Parámetros como el patrón de flujo, la altura y retención de la fase, dependen de la fluidodinámica de las dos fases líquidas moviéndose simultáneamente.

El objetivo de este trabajo es relacionar parámetros fluidodinámicos tales como la altura y retención de la fase o hold-up, calculados por medio del procesamiento de imágenes, con el patrón de flujo presentado por diversas configuraciones de caudales del sistema agua-aceite en tuberías horizontales y, a partir de los datos experimentales obtenidos, generar un mapa de patrones de flujo que permita predecir los cambios del flujo con las condiciones operacionales.

MARCO TEÓRICO

A pesar de la importancia de los sistemas líquido-líquido, el flujo gas-líquido ha sido el más estudiado de los sistemas bifásicos. Sin embargo, los resultados obtenidos para este tipo de flujo no son aplicables en la caracterización de los sistemas líquido-líquido, ya que los diferencia la capacidad de la transferencia de momentum y los pocos efectos de flotación presentes en el flujo líquido-líquido. Además hay menor energía libre en la interfase

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provocando la formación de pequeñas ondas interfaciales y un menor tamaño de gotas en la fase dispersa.

En la caracterización de los patrones de flujo en los sistemas líquido-líquido aun no se ha llegado a un consenso, debido a las numerosas variables de las que depende la configuración geométrica del flujo de los dos líquidos. Las similitudes de densidad y viscosidad de los fluidos han dificultado la predicción de cuál de las fases se mueve más rápido en flujo estratificado o cuál es más propenso a formar gotas y coalescer. Es por ello que los equipos de investigación de este fenómeno hidrodinámico se basan en la apreciación cualitativa de sus observaciones, llegándose a identificar una amplia variedad de patrones.

Oglesby [3] llegó a proponer hasta catorce patrones de flujo diferentes, mientras que Russel et al. [4] y Malinowsky [5] describen sólo tres o cuatro. En líneas generales, la metodología usada por estos investigadores en sus trabajos se basa en la observación a través de una sección de tubería transparente que puede verse complementada con cámaras de video y fotografía de alta velocidad, sondas de conductancia y sondas de impedancia, entre otros. De esta forma, uno de los trabajos más completos en esta área es el reportado por Trallero et al.[1]. En el cual se describen seis patrones de flujo clasificados en dos grupos: segregado y disperso. En la figura 1 se pueden observar los patrones de flujo propuestos por Trallero et al. [1].

El flujo segregado está caracterizado por la continuidad en dirección axial de las dos fases separadas por gravedad, donde la fase más densa fluye por el fondo de la tubería. El flujo disperso se caracteriza por una penetración mutua de la interfase que separa a ambos fluidos y esta turbulencia en la interfase conduce a la dispersión de los líquidos. Los seis patrones de flujo descritos por Trallero et al. [1] se describen brevemente en la Tabla 1.

Tabla 1. Descripción de patrones de flujo de Trallero et al. [1].

Flujo estratificado

(ST)

Ambas fases se encuentran completamente separadas por una interfase plana sin ondulaciones

Flujo

estratificado con mezcla en la

interfase (ST&MI)

La interfase comienza a ondularse y las gotas de aceite penetran en el agua y viceversa, formándose una

tercera capa en la interfaz. Esto ocurre al incrementar las velocidades de mezcla

Dispersión de

aceite en agua y agua

(Do/w & w)

Agua como fase dominante. Presenta una dispersión de aceite en agua en el tope de la tubería mientras que en el fondo de la

misma fluye una capa continua de agua

Emulsión de aceite en agua

(o/w)

Agua como fase dominante. A altas velocidades el aceite se mezcla en

el agua formando una dispersión en toda el área transversal de la

tubería

Tabla 1. Descripción de patrones de flujo de Trallero et al. [1] (Continuación).

Dispersión de agua en

aceite y aceite en agua (Do/w y D w/o)

Aceite como fase dominante. Por la parte superior de la tubería fluyen gotas de agua

contenidas en el aceite mientras que por la parte inferior fluyen gotas de

aceite contenidas en agua.

Emulsión de agua en aceite (w/o)

Aceite como fase dominante. Se observa a grandes velocidades de

mezcla y con altas relaciones de entrada de

aceite, la cual permite que este llegue a dispersar el

agua en su totalidad Fuente: Trallero et al. [1]

Figura 1. Patrones de flujo según Trallero et al. [1]

Fuente: Trallero et al. [1]

En la literatura, los patrones se reportan a través de los mapas de patrones de flujo, que son la representación bidimensional en un sistema cartesiano de los regímenes de flujo. La gran mayoría de los mapas son experimentales y la transición de un régimen de flujo a

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otro lo determina el autor de manera subjetiva, de acuerdo a la visualización que haya hecho de los mismos. El comportamiento del flujo bifásico depende de las propiedades físicas de cada fluido (viscosidad, densidad, tensión interfacial) y de las condiciones de operación (hold-up, velocidades superficiales, diámetro e inclinación de la tubería), por tal motivo cada mapa de flujo será válido para las condiciones de operación y los fluidos utilizados para su generación. (Gónzalez-Mendizábal et al. [6])

A Trallero et al. [1] se les debe la unificación de los mapas de flujo elaborados por investigadores como Rusell [3], Charles et al. [7] y Guzhov [8] bajo las mismas coordenadas para facilitar la lectura y comparación entre ellos. En la figura 2 se observa el mapa de patrones de flujo elaborado por Trallero et al. [1], en el que se puede determinar la transición entre los patrones según la relación entre las velocidades superficiales axiales del agua y del aceite.

Figura 2. Mapa de patrones de flujo según Trallero et al. [1]

Fuente: Trallero et al. [1]

Las condiciones de operación utilizadas por Trallero et al. [1] para la realización de dicho mapa se muestran a continuación:

Tabla 2. Condiciones del modelo de Trallero et al. [1].

D [cm] 5.04

L/D 306.00

μw [cP] 0.97

μo [cP] 28.80

ρw [kg/m3] 1037.00

ρo [kg/m3] 884.00

Además de la forma en la que se distribuyen las fases dentro de la tubería en el flujo multifásico, existen otros parámetros hidrodinámicos que modelan estos sistemas. Uno de ellos es la altura de la fase, que se puede obtener visualmente por medición de alguna de las fases in situ o por procesamiento de imágenes a través de un programa o software para tal fin. Adicionalmente, es necesario conocer el efecto de deslizamiento, retención de la fase o hold-up:

Retención de la fase o hold-up Cuando las fases difieren en densidad y/o en viscosidad, la menos densa tiende a fluir a una velocidad promedio mayor que la otra. Esto ocasiona una de las características más importante del flujo bifásico, el deslizamiento de una fase sobre la otra, o la retención de una de las fases con respecto a la otra. El hold-up puede determinarse por medio de la Ec. (1). Hα = Volumen de la fase α en un segmento de tubería (1)

Volumen del segmento de tubería

El hold-up varía desde 0 a 1, siendo su máximo valor el correspondiente al caso de un fluido monofásico, por lo cual basta con conocer el hold-up de una de las fases y luego, por diferencia, conocer el de la otra. Esta propiedad característica del flujo bifásico, determina la velocidad real de cada una de las fases dentro de la tubería. Sin embargo, dependiendo del patrón de flujo, el efecto de deslizamiento será más o menos importante. La principal importancia en la determinación del hold-up experimentalmente, radica en que varios parámetros hidrodinámicos como la fracción volumétrica de entrada, densidad, viscosidad de la mezcla y tensión superficial del flujo dependen explícita o implícitamente de la retención de la fase, es por ello necesario, para modelar cuantitativamente el patrón de flujo, conocer este parámetro.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO El equipo experimental utilizado se encuentra en las

instalaciones del Laboratorio de Fenómenos de Transporte de la Universidad Simón Bolívar y está especialmente diseñado para el estudio del flujo bifásico agua-aceite.

Figura 3. Montaje experimental.

El equipo experimental está dividido en tres secciones principales:

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Sección de alimentación Se encuentra constituida principalmente por un tanque

de almacenamiento de agua, marca RESINCA (T-101), un tanque de almacenamiento de aceite, marca RESINCA (T-102), dos bombas de cavidad progresiva (BCP), marca SEW DO BRASIL LTDA (B-101 y B-102) y los rotámetros, marca OMEGA ENGINEERING, INC (FI-101 y FI-102)

El agua utilizada durante la experimentación proviene de las tuberías del laboratorio y es filtrada antes de ser almacenada en el tanque T-101 de 500L de capacidad. El agua se descarga a las tuberías del equipo mediante la bomba B-101. Esta sección del equipo también cuenta con una línea de reflujo de agua al tanque. La línea principal cuenta además con una válvula de aguja para regular el flujo de agua. El fluido pasa por el rotámetro FI-101 con rango de 2 a 10 GPM con apreciación de ± 0.2 GPM.

El aceite utilizado es aceite hidráulico Hidrovenoco ISO-100, que posee propiedades antiespumantes y demulsificantes, además de una elevada estabilidad térmica. Este aceite es almacenado en el tanque de plástico T-102 de 500L de capacidad, y es llevado al sistema de tuberías de 2 in por la bomba B-102. El sistema de tuberías que transporta al aceite en la sección de alimentación es análogo al que transporta el agua. El rotámetro FI-102 permite medir caudales de aceite de 2 a 10 GPM con apreciación de ± 0.5 GPM.

El agua y el aceite son transportados por separado en la sección de alimentación y se mezclan en una conexión tipo “T”. Para garantizar una mezcla efectiva y evitar que ésta se devuelva a las tuberías previas, se colocan dos válvulas tipo check previo a la unión de ambos fluidos. A partir de aquí la mezcla pasa a circular por la tubería de plexiglass que conforma la sección de prueba.

Sección de prueba Consta de un sistema de tuberías de plexiglass con un diámetro interno de 0.0445 m (1.75 in) y diámetro externo de 0.0508 m (2 in), unidas con sellos de caucho. El sistema se encuentra soportado sobre una estructura metálica y está dispuesto en forma de “U” con 12 m de longitud de ida y 12 m de longitud de vuelta. Ubicada a una relación L/D=210 (relativo a la entrada del flujo en la tubería transparente) se encuentra la celda de visualización, donde se observa el flujo bifásico en dos dimensiones.

Sección de visualización Consta de una cámara de alta velocidad marca Kodak

Ektapro modelo 4540mx imager, la cual permite grabar de 30 a 4500 cuadros por segundo en la modalidad de pantalla completa. Adicionalmente, se tiene un lente 60mm f/2.8D AF Micro Nikkor, marca Nikon, para aumentar o disminuir la abertura focal. Esta cámara de alta velocidad está conectada a una computadora en donde se graban y digitalizan las imágenes captadas con su respectivo software.

Sección de separación Luego de que ambos fluidos hayan recorrido toda la

sección de prueba, se depositan en un tanque (T-103) de acero inoxidable de 551.25L de capacidad, al llenarse dicho tanque se utiliza el tanque auxiliar T-104 de plástico de 400L. Los fluidos se separan por decantación debido a la diferencia de densidades y por la inmiscibilidad de los mismos.

Luego de la separación, se extrae el agua a través de una tubería de desagüe instalada en la parte inferior de cada tanque. Posteriormente, el aceite es llevado al tanque de almacenamiento (T-102) mediante el uso de una bomba de inmersión de 1/6 Hp.

Debido a la reciente adquisición del aceite Venoco, las características de este fluido, para las condiciones de operación, que se reportan son las dadas por el fabricante al momento de la entrega:

Tabla 3. Propiedades físico químicas del Hidrovenoco S-100

Propiedades*

Viscosidad a 40°C [cSt] 100

Viscosidad a 100°C [cSt]

11.0

Índice de viscosidad 95

Gravedad específica 0.884 Fuente: Catálogo de productos Venoco [9]

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El procedimiento llevado a cabo, se realizó en tres etapas, siguiendo la nomenclatura del montaje experimental:

• Etapa de bombeo de los fluidos. • Etapa de visualización. • Etapa de separación.

Etapa de bombeo de los fluidos 1) Llenar los tanques de almacenamiento de ambos

fluidos abriendo la válvula de paso de agua al tanque T-101.

2) Al estar llenos los tanques son puestas en operación ambas bombas B-101 y B-102.

3) Para purgar el aire presente en la tubería se aumentan las revoluciones por minuto de la bomba B-101 con la perilla reguladora al inicio de cada corrida.

4) Una vez purgado el sistema, se fijan los caudales manipulando las revoluciones por minuto de cada bomba, estos caudales se leen en los rotámetros correspondientes.

Etapa de Visualización Para el montaje de la cámara de alta velocidad se

realizó el siguiente procedimiento: 1) Se conecta el lente a la cámara y se fija ésta sobre

el trípode ubicado en la parte frontal de la sección de prueba.

2) La cámara se conecta a través de un cable al controlador de la misma, éste a su vez está conectado al monitor de la computadora donde se observan las imágenes grabadas.

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3) Se coloca detrás de la celda un bombillo de luz incandescente para mayor nitidez en las imágenes tomadas. Es necesario colocar una hoja de papel bond blanco entre la celda y el bombillo para difuminar la luz.

4) Manipulando el lente de la cámara se busca el foco que proporcione una imagen nítida de la tubería y de los fluidos que se observan.

5) Haciendo uso del control manual se fija una velocidad de 2250 fps (cuadros por segundo), se presiona el botón ready para alistar la cámara y luego el botón record para finalmente grabar.

6) Las grabaciones para cada caudal deben durar aproximadamente 120 segundos.

7) Una vez tomadas las imágenes, se graba la cantidad deseada en la computadora.

8) Los pasos 5, 6 y 7 se repiten para cada combinación de los caudales deseados.

Etapa de separación Esta etapa consiste en la separación del agua y el aceite que se almacenan en los tanques T-103 y T-104. Dicha separación se logra por inmiscibilidad y diferencia de densidades entre los fluidos. Es necesario esperar aproximadamente 30 minutos para la separación. Una vez transcurrido este tiempo se abren las válvulas ubicadas en el fondo de los tanques y se desecha el agua; el aceite es bombeado de regreso al tanque de almacenamiento con la ayuda de la bomba sumergible B-103. Al inicio del trabajo experimental se realizaron ciertas modificaciones a la sección de alimentación de la tubería, debido a que se presentaban zonas de retención de aire en la misma, requiriendo un tiempo mayor de experimentación para la purga de aire del equipo. Sin embargo, estas modificaciones pudieron influir en el tiempo de desarrollo hidrodinámico de la mezcla agua-aceite dentro de la sección de prueba de plexiglass. En vista de estas circunstancias, se realizaron varias repeticiones para ciertos juegos de caudales que ofrecían una lectura confusa para el análisis.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se realizaron en total 27 experimentos modificando los

caudales de agua y de aceite para elaborar un mapa de patrones de flujo completo y procesar las imágenes con el algoritmo elaborado en Matlab®. En las imágenes tomadas para los 27 juegos de caudales en estudio se pudieron visualizar cuatro patrones de flujo, de los cuales dos son dominados por la fase acuosa (dispersión de aceite en agua y agua, emulsión de aceite en agua) y los restantes corresponden a patrones de flujo segregado (estratificado y estratificado con mezcla en la interfaz). Para mayor simplicidad, se nombrarán los juegos de caudales trabajados comenzando por el flujo volumétrico de agua en GPM, acompañado de la letra “w”, seguido del flujo volumétrico de aceite en GPM con la letra “o”.

Para bajas velocidades superficiales de agua (Uws) y bajas a moderadas velocidades superficiales de aceite (Uos) el patrón de flujo consiste en dos fases segregadas que fluyen por la tubería con una interfase definida. En la

figura 4 se aprecia el patrón de flujo estratificado (ST) para estas condiciones de operación en el sistema agua-aceite:

Figura 4. Patrón de flujo con velocidad de 0.122 m/s de aceite y

0.081 m/s de agua.

Al ir aumentando el flujo de agua circulante en la tubería, manteniendo los intervalos de operación del aceite, comienzan a aparecer gotas de aceite en la fase acuosa y gotas de agua, de igual tamaño, en la capa de aceite. En este punto comienza a aparecer el flujo estratificado con mezcla en la interfaz (ST&MI), (figura 5).

Figura 5. Patrón de flujo con velocidad de 0.325 m/s de aceite y 0.325 m/s de agua.

Para velocidades altas de agua y bajas de aceite se observa la transición hacia un patrón de flujo disperso, caracterizado por la incorporación de numerosas gotas de aceite de pequeño diámetro en la fase acuosa. Con el incremento de los flujos, la turbulencia en la tubería aumenta y las gotas colapsan para formar una dispersión de aceite en agua y agua (Do/w&w) en la cual la interfase ondulada apenas es visible y no existe continuidad en la capa de aceite (figura 6).

Figura 6. Patrón de flujo con velocidad de 0.122 m/s de aceite y

0.284 m/s de agua.

En cambio, si se incrementa la velocidad superficial

de aceite, manteniendo flujos bajos de agua en la tubería, se podrá observar como las gotas de aceite se esparcen por toda la tubería por acción simultánea de las fuerzas dinámicas y de empuje. En este caso, se observará una mezcla turbulenta de las fases acuosa y oléica con desaparición de la interfase. En la figura 7 se muestra una

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imagen tomada con la cámara de alta velocidad para un patrón de emulsión de aceite en agua. Como las gotas de aceite formadas durante la emulsión son de escasos milímetros de diámetro no pudieron ser captadas con nitidez por la cámara.

Figura 7. Patrón de flujo con velocidad de 0.324 m/s de aceite y

0.081 m/s de agua.

En función de las velocidades superficiales tanto del

agua como del aceite, se construyó un mapa con los patrones de flujo observados en los 27 experimentos, quedando su distribución como sigue:

Figura 8. Mapa de patrones de flujo obtenido

El criterio utilizado para predecir el cambio en los

patrones de flujo es el análisis de estabilidad de Kelvin-Helmholtz (KH), el cual indica si la interfase es estable. Incluye dos subgrupos: el análisis viscoso (VKH) y el análisis no viscoso (IKH).

Al comparar este mapa de patrones de flujo con el fijado por Trallero et al. [1] se pueden observar ciertas correspondencias en cuanto a los regímenes de flujo en los que se presentan determinados patrones. Para velocidades superficiales bajas, tanto de agua como de aceite, se presenta una zona de flujo estratificado (ST), seguido de una vasta región de juegos de caudales en los cuales domina el flujo estratificado con mezcla en la interfaz (ST&MI) para velocidades superficiales de agua y aceite superiores a 0,1 m/s. En el mapa de Trallero et al. [1] se observa el patrón de flujo estratificado delimitado por la línea de VKH resultante del análisis de estabilidad de la mezcla bifásica, la cual indica la región en la cual comienza la formación de gotas, a medida que se aumenta la velocidad de las fases se observan en el diagrama dos líneas de análisis IKH, que separan los patrones de flujo segregados de los dispersos. En el mapa de flujo obtenido a partir de los datos experimentales, se pueden diferenciar las zonas delimitadas por las líneas de IKH y VKH.

La comparación entre el análisis hecho por Trallero et al. [1] y el obtenido para este trabajo pudo hacerse debido a las similitudes en las condiciones de operación y en las propiedades físicas de ambos fluidos, observándose las coincidencias en cuanto a las viscosidades y densidades de los fluidos empleados en los experimentos y asimismo la similitud del diámetro de tubería empleada. Este hecho, permitió extrapolar las líneas de análisis de estabilidad obtenidas por Trallero et al. [1] a los resultados del presente trabajo.

Paralelamente a la visualización de los patrones de flujo, se creó el algoritmo DSE_HEIGHT utilizando la herramienta Simulink® del paquete de cálculo Matlab® para procesar las imágenes adquiridas durante los experimentos. El programa creado emplea varios filtros para el mejoramiento de imágenes y la función Edge detection con la técnica Prewitt para resaltar los contornos de la tubería y la interfase de la mezcla agua-aceite. De igual manera, se binariza y se cierran los contornos de la imagen para una mayor definición. Finalmente, el algoritmo calcula el centro geométrico de los contornos resaltados y, por diferencia de vectores, estima la altura para las fases acuosa y oléica en píxeles; por una conversión, la altura en píxeles es expresada en milímetros para el conjunto de las fotos analizadas. Análogamente, el programa utilizado determina el hold-up por una relación entre la altura de la fase y el diámetro de la tubería. Para evitar la lectura de centros geométricos de manera errónea, se utilizó la función Submatrix que permite estudiar cada sección de tubería por separado, eliminando este error de la respuesta final. En la figura 9 se muestra el algoritmo utilizado y las figuras 10 y 11 muestran una imagen sin procesar y la imagen luego de ser procesada por el programa.

Figura 9. Diagrama de bloque del programa en DSE_HEIGHT

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Figura 10. Muestra de una imagen inicial.

Figura 11. Muestra de una imagen procesada.

Para el análisis de cada juego de caudales se tomó una muestra de 500 fotos, número para el cual el promedio de la altura de fase se hiciera relativamente constante, exigiendo una desviación menor al 3% de las ultimas 4 mediciones. Las imágenes analizadas fueron las correspondientes a regímenes de flujo estratificado (ST) y estratificado con mezcla en la interfaz (ST & MI).

Los datos obtenidos del procesamiento de las imágenes permitieron elaborar gráficas de altura y hold-up de la fase de aceite para un caudal de agua fijo a caudales de aceite variables, en función del número de fotos analizadas. Los flujos de agua y aceite se expresan en galones por minuto (GPM). Para 2 GPM de agua se obtuvieron las siguientes gráficas:

Figura 12. Altura de la fase de aceite para diferentes caudales a

2 GPM de agua.

Figura 13. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 2 GPM

de agua.

En estas figuras se evidencia el comportamiento análogo de la altura de fase y del hold-up, o factor de retención, para cada juego de caudales graficado. Esta tendencia se verifica de igual manera para todos los experimentos realizados, puesto que el hold-up fue calculado por el programa en base a las alturas de fase obtenidas, verificándose que su suma nunca superará la unidad.

Es de notar que, el juego de caudales graficado en las figuras 12 y 13, corresponde a un patrón de flujo estratificado (ST). Si bien la interfase agua-aceite aparece plana en las imágenes, se evidencian pequeñas fluctuaciones periódicas de la altura de fase (y en consecuencia, el hold-up). Esta tendencia irregular se debe a la aparición de gotas de aceite que viajan por la interfase del sistema y que aparecen reflejadas en las fotografías tomadas.

Al graficar la altura de fase para un caudal de 3 GPM de agua, resulta interesante analizar la tendencia exhibida ya que se presentan tanto patrones de flujo estratificados (a bajos caudales de aceite) como estratificados con mezcla en la interfaz (caudales altos de aceite). Por esto, es posible observar la influencia de la ondulación de la interfase del sistema sobre el cálculo de la altura de fase.

Figura 14. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 3 GPM

de agua.

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Inspeccionando la figura 14 se verifica que los caudales 3w2o y 3w3o exhiben un comportamiento estable para la altura de fase, lo cual concuerda con su clasificación de flujo estratificado (ST). Como puede verse, a medida que aumenta el flujo de aceite circulando por la tubería, el comportamiento de la altura tiende a hacerse más inestable conforme inicia la formación de gotas, correspondiéndose con los regímenes de flujo estratificado con mezcla en la interfaz (ST & MI) para los caudales de 3w5o y 3w7o. Para el resto de los caudales de agua se generaron gráficas similares para el hold-up, las cuales son presentadas a continuación. Análogamente, la iluminación es otro factor clave para el procesamiento adecuado de las imágenes. Los bombillos incandescentes utilizados y un buen manejo del lente y obturador de la cámara permitieron obtener una gran cantidad de imágenes de alta calidad para el análisis computarizado sin embargo, es conveniente, a futuro, trabajar en la mejora de la captura de imágenes para atenuar el efecto de ondulación que se produce por la iluminación con corriente alterna, lo que ocasiona intermitencia en las imágenes.

Figura 15. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 4 GPM

de agua.

Figura 16. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 5 GPM

de agua.

Figura 17. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 6 GPM

de agua.

Figura 18. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 7 GPM

de agua.

Figura 19. Hold-up de aceite para diferentes caudales a 8 GPM

de agua.

Por último, se anexan los valores promedio de altura y

retención de la fase obtenidos para cada uno de los caudales procesados.

En la Tabla 4 se observa una discrepancia entre algunos datos de altura de la fase con respecto al caudal real que circula por la tubería. Se esperaría que, a mayores

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proporciones de agua en relación con el aceite, se estimara una mayor altura para esta fase. Se presume que esto no sucede así debido al fenómeno de “mojabilidad” (wetting), referido a la habilidad del aceite, en este caso, para mantenerse en contacto con la superficie de la tubería como resultado de un balance entre las fuerzas adhesivas y cohesivas. De esta forma, el no trabajar en las corridas experimentales aumentando progresivamente el flujo de aceite ocasionó el ensuciamiento de las paredes internas de la tubería con una capa de aceite. Dicha capa se ve reflejada en algunos juegos de fotografías tomadas e influyó de manera significativa en la lectura realizada por el programa.

Tabla 4. Valores promedio de altura de fase y hold-up.

Caudales Altura

aceite (mm) Altura

agua (mm) Hold-up aceite

Hold-up agua

2w3o 37.455 7.045 0.843 0.157

2w4o 40.594 3.906 0.913 0.087

2w5o 38.817 5.683 0.873 0.127

2w6o 38.838 5.662 0.874 0.126

3w2o 30.531 13.969 0.686 0.314

3w3o 32.723 11.777 0.735 0.265

3w5o 34.887 9.613 0.784 0.216

3w7o 33.669 10.831 0.765 0.235

4w2o 28.540 15.960 0.641 0.359

4w3o 30.500 14.000 0.685 0.315

4w4o 30.127 14.373 0.677 0.323

4w6o 33.348 11.152 0.753 0.247

5w2o 24.999 19.501 0.578 0.422

5w3o 28.099 16.401 0.632 0.368

5w4o 29.839 14.661 0.671 0.329

5w6o 29.926 14.574 0.672 0.328

6w2o 22.012 22.488 0.495 0.505

6w4o 27.546 16.954 0.619 0.381

6w6o 30.531 13.969 0.691 0.309

7w2o 21.156 23.344 0.475 0.525

7w7o 30.445 14.055 0.684 0.316

8w2o 19.677 24.823 0.442 0.558

8w4o 25.658 18.842 0.577 0.423

8w6o 28.016 16.484 0.630 0.370

8w8o 34.113 10.387 0.768 0.232

CONCLUSIONES

Con respecto a los objetivos planteados en esta investigación acerca del estudio del flujo bifásico en sistemas agua-aceite se pudo concluir que:

• Se identificaron cuatro patrones de flujo predominantes según el modelo de Trallero et al. [1]: dos patrones segregados tipo estratificado (ST) y estratificado

con mezcla en la interfaz (ST & MI), y dos patrones de flujo dominados por la fase acuosa, dispersión de aceite en agua y agua (Do/w & w) y emulsión de aceite en agua.

• El mapa de patrones de flujo obtenido en función de las velocidades superficiales de las fases exhibe una tendencia similar al obtenido por Trallero et al [1], quienes trabajaron a condiciones experimentales similares a las del presente trabajo.

• La herramienta elaborada permitió calcular parámetros hidrodinámicos característicos del sistema bifásico aceite-agua de manera automatizada y satisfactoria. Sin embargo, se debe mejorar la iluminación y la calidad de las imágenes adquiridas en el trabajo experimental para optimizar el funcionamiento del programa.

• Debido al ensuciamiento de las paredes internas de la tubería con una capa de aceite, se registraron errores en las alturas de fase arrojadas por el programa de procesamiento de imágenes, siendo difícil vincular en algunos casos los resultados obtenidos con los flujos reales de aceite y agua circulantes por la tubería.

RECOMENDACIONES Para optimizar la visualización de los patrones de flujo

y la medición de los parámetros considerados en este trabajo, se proponen las siguientes recomendaciones: • Mejorar la iluminación y el enfoque de las imágenes en la precisión de los datos arrojados por el programa. Dentro de este punto, se puede mejorar el algoritmo utilizado para evitar la lectura de las gotas de aceite que viajan por la interfase. • Trabajar en forma creciente en caudal de aceite circulante por la tubería, de manera de reducir los posibles errores generados por la mojabilidad del aceite en la misma.

NOMENCLATURA Ao: Altura de la fase oléica. Aw: Altura de la fase acuosa. Hα: hold-up de la fase α. o : Aceite. Uos: Velocidad superficial del aceite. Uws: Velocidad superficial del agua. w : Agua. D: diámetro de la tubería. L: longitud de la tubería. ρo: Densidad del Aceite. ρw: Densidad del Agua. µo: Viscosidad del Aceite. µw: Viscosidad del Agua.

REFERENCIAS [1] Trallero, J. L., C. Sarica y J.P. Brill (1996). A study of oil-water flow patterns in horizontal pipes. Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition. 1. 363-375.

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[2] Irandoust, S. y Andersson, B. (1988). Mass transfer and liquid-phase reactions in a segmented two-phase flow monolithic catalysts reactor. Chemical engineering science. 56. 6015-6023. [3] Oglesby, K. D. (1979). An experimental study on the effects of oil viscosity, mixture velocity and water fraction on horizontal oil-water flow. The University of Tulsa. Tesis de Maestría. Tulsa-Estados Unidos. [4] Rusell, T. W. F., G.W. Hodson y G.W. Govier (1959). Horizontal pipeline flow of mixtures of oil and water. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 39. 9-17. [5] Malinoswky, M. S. (1975) An experimental study of oil-water flow an air-oil flowing mixtures in horizontal pipes. The University of Tulsa. Tesis de Maestría. Tulsa-Estados Unidos.

[6] Gónzalez-Mendizábal, D., Sánchez E., Zeppieri, S. y Romero, C., (2007) Estudio experimental sobre patrones de flujo líquido-líquido en tuberías verticales. 8° Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. El Cusco-Perú. [7] Charles, M.E., G. W Govier. y G. W. Hodson (1961). The horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixture. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 39. 27-36. [8] Guzhov, A.I., Grishan, A.L., Medredev, V.F. y Medredeva, O.P. (1973). Emulsion formation during the flow of two immiscible liquids in a pipe. Neft Khoz. 8, 58-61. [9] Catálogo de productos Venoco. Disponible en línea en: http://www.venoco.com/images/catalogo.pdf. Fecha de consulta: 21-08-09. Venezuela.