7 - Curso Flujo Multifásico. Tailtel and Dukler

 

FLUJO BIFASICO EN TUBERÍAS Modelo Mecanístico Taitel & Dukler Dr. Miguel ASUAJE  Julio 2007

 

Predicción 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.

 

Predicción de Patrones de Flujo  

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 los patrones de flujo estratificado, burbujaa dispersa y anular, para predecir su existencia. Si ninguno de los patrones anteriores es estable, el flujo es tapón.

 

Predicción de Patrones de Flujo  

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 la tubería. Propiedades de losenfluidos. Equilibrio entre las fuerzas gravitatorias e inerciales.

 

Predicción de Patrones de Flujo x

SG v

G

A vL d

h

S L

S L

i

G

A L



Flujo estratificado en equilibrio Balance de fuerzas sobre cada fase en flujo estratificado en equilibrio

 

Predicción de Patrones de Flujo 

Ecuación de momentum para el líquido (1D):   A L



dx

    i   L A L g sin     0   W LS  L   i S 

Ecuación de momentum para el gas (1D):   AG



dP 

dP  dx

  i   G AG g s in     0      S G   i S  WG

Igualando las caídas de presión del líquido y del gas:   1 1    WG   WL   i S i           L   G g s in    0  AG  A L   A L  AG   S G

S  L

 

Predicción de Patrones de Flujo 

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.

 

Predicción de Patrones de Flujo 

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.

h

G

v

  G

v'

G

 

P'

h'

G

P h

L

h 'L

1

  h    ρ   ρ G  g cos θ  A G  2 v G  1  L   L    ρ G SI d      

 

Predicción de Patrones de Flujo  

Taitel y Dukler (1976). Patrones Patrones de flujo Patrón de flujo: de burbuja dispersa: Mecanismos queFlujo 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 Flujo  

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:

1

 4 AG  g c os      G   2 1    f   L      L    S i

v L   

vL  se evalúa empleando el Hold Up de no deslizamiento. v L  

V SL  

 

Predicción de Patrones de Flujo

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.

h L d  0.35

(inicialmente 0.5, modificado por experimentación)

 

Predicción de Patrones de Flujo 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.

 

Comparación



Comparación entre el mapa de(1974) y Mandhane el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, flujo horizontal, diámetro 1”   Experimental: Teoría:

 

Comparación

• Comparación entre

datos experimentales (Shoham 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): aguaaire, flujo horizontal, diámetro 1”  

 

Comparación



Comparación entre datos experimentales (Shoham, modelo de1980) Taitel y el Dukler (1976): aguaaire, ascendente 0.5 grados, diámetro 2”   Experimental: Teoría:

 

Comparación



Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, ascendente 5.0 Experimental: grados, Teoría

.

diámetro 2”  

 

Comparación



Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): aguaaire, descendente –1.0

grados, diámetro 2” .

Experimental: Teoría:

 

Comparación



Comparación entre datos experimentales (Shoham, 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): aguaaire, descendente – 10.0 grados, diámetro 2”  .  .

Experimental: Teoría:

 

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).

 

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.

 

Conclusiones 



Estos arreglos pueden ser agrupados en diferentes patrones de flujo.



Algunos

patrones

de

flujo

son

intermitentes, en el manejo y creando bombeoproblemas de crudo (vibraciones, corridas en vacio, inundaciones súbitas).

 

Conclusiones 



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).