7- curso flujo multifásico. tailtel and dukler
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FLUJO BIFASICO EN TUBERÍAS
Modelo MecanísticoTaitel & Dukler
Dr. Miguel ASUAJEDr. Miguel ASUAJEJulio 2007
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Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
Primeros intentos son correlaciones. Debido a la gran complejidad del
problema, fueron necesarios métodos mas rigurosos.
Los métodos mecanísticos aparecen en 1976, con el modelo de Taitel & Dukler.
Este método propone simular el fenómeno tomando en cuenta los mecanismos mas importantes en cada patrón de flujo.
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Taitel y Dukler (1976). Patrones de flujo Objetivo
Establecer criterios matemáticos para definir las fronteras entre los distintos patrones de flujo.
Metodología Analizar los distintos mecanismos propios a
los patrones de flujo estratificado, burbuja dispersa y anular, para predecir su existencia.
Si ninguno de los patrones anteriores es estable, el flujo es tapón.
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Taitel y Dukler (1976). Patrones de flujo. Patrón de flujo: Flujo estratificado:
Mecanismos que lo controlan: Estabilidad de la interfase líquido gas
(estabilidad de Kelvin Helmholtz) Parámetros:
Altura del líquido en la tubería. Propiedades de los fluidos. Equilibrio entre las fuerzas gravitatorias e
inerciales.
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Flujo estratificado en equilibrio
Balance de fuerzas sobre cada fase en flujo estratificado en equilibrio
x
dh
L
vG
v L
AS
S LL
i
AG
SG
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Ecuación de momentum para el líquido (1D):
Ecuación de momentum para el gas (1D):
Igualando las caídas de presión del líquido y del gas:
0sin gASSdx
dPA LiiL LWLL
0sin gASSdx
dPA GGiGWGG i
0sin11
g
AAS
A
S
A
SGL
GLii
L
LWL
G
GWG
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Se puede demostrar que esta última ecuación es función solo de los caudales, las propiedades y la altura del líquido (hl). De esta ecuación se obtiene la altura de equilibrio del flujo.
S
d / 2
i
Lh
d / 2-
/ 2
d hL
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Un análisis de fuerzas en una perturbación en el flujo permite estimar la velocidad del gas que puede generar succión suficiente para que la perturbación crezca y tapone la tubería.
2
1
IG
GGLLG Sρ
Aθcosgρρ
d
h1v
h
v
P
G
'
'
'
G GG
L
P
h
h h
L
'
v
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Taitel y Dukler (1976). Patrones de flujo Patrón de flujo: Flujo de burbuja dispersa:
Mecanismos que lo controlan: Fuerzas turbulentas se sobreponen a las
fuerzas de flotación, promoviendo el mezclado y evitando segregación gravitatoria.
Parámetros: Velocidades de gas y líquido. Propiedades físicas de los fluidos. Rugosidad de la tubería.
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Se aplica cuando el flujo no es estratificado. Estimando la energía de dispersión turbulenta del
líquido con el factor de fricción, es posible llegar a la siguiente expresión:
vL se evalúa empleando el Hold Up de no deslizamiento.
2
1
1cos4
L
G
Li
GL f
g
S
Av
SL
L
Vv
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Suficiente caudal de líquido para
bloquear la tubería
Insuficiente caudal de líquido para
bloquear la tubería
Caudal crítico de líquido para
bloquear la tubería
• El flujo anular ocurrirá cuando el flujo estratificado no es estable, y el nivel de equilibrio en la tubería para flujo estratificado cumple con la siguiente ecuación.
(inicialmente 0.5, modificado por experimentación)35.0d
hL
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Taitel y Dukler (1976). Patrones de flujo Patrón de flujo: Flujo Anular.
Mecanismos que lo controlan: Ausencia de líquido suficiente para poder
generar un tapón de líquido estable en la tubería.
Parámetros: Caudales de gas y líquido.
Predicción de Patrones de FlujoPredicción de Patrones de Flujo
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Comparación
Comparación entre el mapa de Mandhane (1974) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, flujo horizontal, diámetro 1”
Experimental:
Teoría:
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• Comparación entre datos experimentales (Shoham 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, flujo horizontal, diámetro 1”
Comparación
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Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, ascendente 0.5 grados, diámetro 2”
Comparación
Experimental:
Teoría:
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Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, ascendente 5.0 grados, diámetro 2” .Experimental:
Teoría
Comparación
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Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, descendente –1.0 grados, diámetro 2”.
Comparación
Experimental:
Teoría:
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Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, descendente –10.0 grados, diámetro 2” .
Comparación
Experimental:
Teoría:
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Otros factores que afectan el desarrollo de patrones de flujo
Ondulaciones del terreno. Se sugiere hacer descendente el recorrido hacia separadores, para promover estratificación.
Tuberías con curvas U en el plano vertical, tuberías de producción submarina a plataformas: Se produce un fenómeno de acumulación de líquido y de oscilación de presión cíclica, que puede inundar separadores en plataforma (Flujo tapón severo).
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Conclusiones
Gas puede desprenderse de crudo en cualquier caída de presión en el sistema de flujo.
Cuando gas y líquido fluyen simultáneamente, las fases se pueden acomodar de distinta manera en la tubería dependiendo de las condiciones de flujo, geometría y ángulo.
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Estos arreglos pueden ser agrupados en diferentes patrones de flujo.
Algunos patrones de flujo son intermitentes, creando problemas en el manejo y bombeo de crudo (vibraciones, corridas en vacio, inundaciones súbitas).
Conclusiones
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Es posible generar modelos para la predicción de patrones de flujo basados en los fenómenos físicos principales de cada patrón. Se presenta el modelo de Taitel y Dukler (1976) como primer modelo mecanístico.
El modelo se corresponde con los datos experimentales. (agua y aire en tuberías horizontales e inclinadas en un rango de ±10 grados).
Conclusiones