Redução de arrasto em escoamento monofásico e bifásico (líquido-líquido) com adição de polímeros solúveis em água e hidrocarbonetos
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Espírito Santo
BR Doutorado em Engenharia Mecânica Centro Tecnológico UFES Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufes.br/handle/10/18331 |
Resumo: | This work presents an experimental study on drag reduction (DR) in single-phase and liquid-liquid two-phase turbulent flows through the addition of polymers. The literature contains studies on drag reduction in two-phase flows; however, most investigations focus on gas-liquid flows or liquid-liquid flows with the polymer dissolved in the aqueous phase. In various industrial sectors, two-phase flow is a common occurrence, particularly in the oil and gas industry, where one of the main objectives is to enhance production flow rates. Consequently, there is growing interest in studying the effects of drag-reducing polymer additives in two-phase flows. The objective of this study is to evaluate the effect of polymers (soluble in both water and hydrocarbons) on pressure gradient reduction (drag reduction) and to analyze polymer degradation in single-phase and liquid-liquid two-phase flows. A water-soluble polymer (Diutan Gum 3 DG) and a hydrocarbon-soluble polymer (Polyisobutylene 3 PIB) with three different molecular weights are used. For the hydrocarbon-soluble polymer, rheological characterization, preliminary DR tests in single-phase flows, and degradation analysis for the three molecular weights are performed. As expected, drag reduction increases with higher polymer concentration and molecular weight. In two-phase flow experiments, the flow pattern is dispersed due to high flow rates. The effects of DG and PIB solutions are analyzed separately and in combination. It is concluded that drag-reducing additives are more effective in the dominant phase, meaning that the water-soluble additive is effective for water fractions greater than 0.5, while the hydrocarbon-soluble additive is effective for water fractions below 0.5. As expected, increasing DG concentration results in higher DR; however, an increase in flow rate when using only DG does not lead to further DR improvement. On the other hand, for PIB, an increase in flow rate results in greater DR. When both phases contain additives, a reduction in pressure is observed compared to the case without additives across the entire range of water fractions. Additionally, it is noted that at low concentrations (low water fractions), water droplets also contribute to drag reduction. PIB degradation increases as the total two-phase flow rate rises and is further intensified when the aqueous phase is also treated with additives |
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Redução de arrasto em escoamento monofásico e bifásico (líquido-líquido) com adição de polímeros solúveis em água e hidrocarbonetosRedução de arrastoEscoamento monofásicoEscoamento bifásicoDegradação poliméricaPoliisobutileno (PIB)Drag reductionSingle-phase flowTwo-phase flowPolymer degradationPolyisobutylene (PIB)Engenharia MecânicaThis work presents an experimental study on drag reduction (DR) in single-phase and liquid-liquid two-phase turbulent flows through the addition of polymers. The literature contains studies on drag reduction in two-phase flows; however, most investigations focus on gas-liquid flows or liquid-liquid flows with the polymer dissolved in the aqueous phase. In various industrial sectors, two-phase flow is a common occurrence, particularly in the oil and gas industry, where one of the main objectives is to enhance production flow rates. Consequently, there is growing interest in studying the effects of drag-reducing polymer additives in two-phase flows. The objective of this study is to evaluate the effect of polymers (soluble in both water and hydrocarbons) on pressure gradient reduction (drag reduction) and to analyze polymer degradation in single-phase and liquid-liquid two-phase flows. A water-soluble polymer (Diutan Gum 3 DG) and a hydrocarbon-soluble polymer (Polyisobutylene 3 PIB) with three different molecular weights are used. For the hydrocarbon-soluble polymer, rheological characterization, preliminary DR tests in single-phase flows, and degradation analysis for the three molecular weights are performed. As expected, drag reduction increases with higher polymer concentration and molecular weight. In two-phase flow experiments, the flow pattern is dispersed due to high flow rates. The effects of DG and PIB solutions are analyzed separately and in combination. It is concluded that drag-reducing additives are more effective in the dominant phase, meaning that the water-soluble additive is effective for water fractions greater than 0.5, while the hydrocarbon-soluble additive is effective for water fractions below 0.5. As expected, increasing DG concentration results in higher DR; however, an increase in flow rate when using only DG does not lead to further DR improvement. On the other hand, for PIB, an increase in flow rate results in greater DR. When both phases contain additives, a reduction in pressure is observed compared to the case without additives across the entire range of water fractions. Additionally, it is noted that at low concentrations (low water fractions), water droplets also contribute to drag reduction. PIB degradation increases as the total two-phase flow rate rises and is further intensified when the aqueous phase is also treated with additivesNeste trabalho é realizado um estudo experimental sobre a redução de arrasto (DR, do termo “drag reduction”) em escoamentos turbulentos monofásicos e bifásicos (líquido-líquido) por meio da adição de polímeros. Na literatura são encontrados estudos sobre a redução de arrasto em escoamentos bifásicos; contudo, a maioria investiga escoamentos gás-líquido ou líquido-líquido com o polímero diluído na fase aquosa. Em diversas áreas da indústria, o escoamento bifásico está presente, especialmente na indústria de petróleo e gás, sendo que os principais objetivos do setor é aumentar a vazão de produção. Assim, há crescente interesse em investigar os efeitos da adição de polímeros redutores de arrasto em escoamento bifásico. O objetivo do presente trabalho é avaliar o efeito de polímeros (solúveis tanto em água quanto em hidrocarbonetos) na redução do gradiente de pressão (redução de arrasto) e analisar a degradação de polímeros em escoamentos monofásico e bifásico (líquido-líquido). É utilizado polímero solúvel em água (Goma Diutana 3 DG) e polímero solúvel em hidrocarbonetos (Poliisobutileno 3 PIB) em três diferentes massas moleculares. Para o polímero solúvel em hidrocarbonetos, são realizados a caracterização reológica, testes preliminares de DR em escoamentos monofásicos e a análise da degradação para as três massas moleculares. Como esperado, a redução de arrasto aumenta com o incremento da concentração e massa molecular do polímero. Nos experimentos bifásicos, o padrão de escoamento é disperso devido às altas vazões. É estudado, separadamente e em conjunto, as soluções de DG e PIB. Conclui-se que os redutores de arrasto são mais eficazes apenas na fase predominante, ou seja, o redutor de arrasto na água é eficaz para frações de água superiores a 0,5, e o redutor de arrasto no hidrocarboneto, para frações de água inferiores a 0,5. Como esperado, o aumento da concentração de DG resulta em aumento de DR. Porém, o aumento da vazão quando apenas a DG é utilizada não resulta em aumento de DR. Por outro lado, para o PIB, o aumento de vazão resulta em aumento de DR. Quando ambas as fases contêm aditivos, observa-se redução na pressão em comparação com o caso sem aditivos, ao longo de toda a faixa de frações de água. Além disso, destaca-se que, em pequenas concentrações (baixas frações de água), as gotas de água também atuam como redutoras de arrasto. A degradação do PIB é maior à medida que aumenta a vazão total do escoamento bifásico, sendo intensificada quando a fase aquosa também está aditivadaFundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Espírito Santo (Fapes)Petróleo Brasileiro S/A (Petrobras) PetrobrasUniversidade Federal do Espírito SantoBRDoutorado em Engenharia MecânicaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaSoares, Edson José https://orcid.org/0000-0003-4967-4957http://lattes.cnpq.br/4485206584533650https://orcid.org/0000-0003-0752-1485http://lattes.cnpq.br/6938448221920237Siqueira, Renato do Nascimento https://orcid.org/0000-0002-8397-8180http://lattes.cnpq.br/9791817633014124Ramos, Rogériohttps://orcid.org/0000-0003-4493-2435http://lattes.cnpq.br/2975022316691139Franco, Admilson Teixeira https://orcid.org/0000-0002-7977-6404http://lattes.cnpq.br/3561428456009236Oliveira, Márcia Cristina Khalil de https://orcid.org/0000-0001-8820-8567http://lattes.cnpq.br/2392018269619309Barbosa, Kelvin Cristien de Oliveira2025-02-12T12:45:59Z2025-02-12T12:45:59Z2025-01-10info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/18331porpthttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2025-02-27T11:12:11Zoai:repositorio.ufes.br:10/18331Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082025-02-27T11:12:11Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false |
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This work presents an experimental study on drag reduction (DR) in single-phase and liquid-liquid two-phase turbulent flows through the addition of polymers. The literature contains studies on drag reduction in two-phase flows; however, most investigations focus on gas-liquid flows or liquid-liquid flows with the polymer dissolved in the aqueous phase. In various industrial sectors, two-phase flow is a common occurrence, particularly in the oil and gas industry, where one of the main objectives is to enhance production flow rates. Consequently, there is growing interest in studying the effects of drag-reducing polymer additives in two-phase flows. The objective of this study is to evaluate the effect of polymers (soluble in both water and hydrocarbons) on pressure gradient reduction (drag reduction) and to analyze polymer degradation in single-phase and liquid-liquid two-phase flows. A water-soluble polymer (Diutan Gum 3 DG) and a hydrocarbon-soluble polymer (Polyisobutylene 3 PIB) with three different molecular weights are used. For the hydrocarbon-soluble polymer, rheological characterization, preliminary DR tests in single-phase flows, and degradation analysis for the three molecular weights are performed. As expected, drag reduction increases with higher polymer concentration and molecular weight. In two-phase flow experiments, the flow pattern is dispersed due to high flow rates. The effects of DG and PIB solutions are analyzed separately and in combination. It is concluded that drag-reducing additives are more effective in the dominant phase, meaning that the water-soluble additive is effective for water fractions greater than 0.5, while the hydrocarbon-soluble additive is effective for water fractions below 0.5. As expected, increasing DG concentration results in higher DR; however, an increase in flow rate when using only DG does not lead to further DR improvement. On the other hand, for PIB, an increase in flow rate results in greater DR. When both phases contain additives, a reduction in pressure is observed compared to the case without additives across the entire range of water fractions. Additionally, it is noted that at low concentrations (low water fractions), water droplets also contribute to drag reduction. PIB degradation increases as the total two-phase flow rate rises and is further intensified when the aqueous phase is also treated with additives |
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