Técnica Core Annular Flow (CAF)

POR Pedro Coelho

Publicado: quarta-feira, 17 de dezembro de 2014

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A técnica Core Annular Flow (CAF) é um método que é utilizado para o transporte de misturas bifásicas, baseando-se na imiscibilidade e na diferença de viscosidade e densidade entre as soluções da mistura.

Tal tipo de técnica consiste basicamente na formação de um anel de fluxo do fluido menos viscoso envolvendo um anel de fluxo do fluido mais viscoso, conforme mostrado na figura abaixo:

Transporte de mistura água e óleo utilizando a técnica Core Annular Flow na Horizontal (Fonte: Strazza 2010).

O método possui eficiência comprovada na diminuição do atrito na tubulação e no gasto de energia no bombeamento. O CAF é geralmente usado para o transporte de óleos viscosos, como o petróleo e seus derivados, onde se usa água para a formação do anel, que envolve o fluxo de petróleo.

Breve Histórico da Técnica

Apesar da técnica Core Annular Flow (CAF) parecer algo atual, possui na realidade mais de 100 anos de existência. Nesse tópico da postagem será abordado de forma resumida o histórico da técnica CAF, sendo mencionados os pesquisadores que contribuíram de forma significativa para o aprimoramento da aplicação da técnica CAF.

Os pioneiros no estudo da técnica CAF foram Jonh Dove Isaacs e James Buckner Speed, que em 1904 inventaram-na e a patentearam (US Patent No. 759374) em 1905. Nessa patente, Isaacs e Speed foram os primeiros a discutir sobre a aplicação de água no escoamento de óleos para diminuir o atrito na tubulação. Eles propuseram estabilizar o fluxo de escoamento através da aceleração centrípeta que é criada por um estriamento ( em inglês: rifling) da tubulação.

Em 1916, Milo D. Looman patenteou (US Patent No. 1192438) um método para transportar óleo, fazendo o óleo passar por cima de uma série de armadilhas de água na parte inferior da tubulação, formando um regime estratificado de água/óleo.

Esquema da tubulação usada por Looman (Looman 1916)

Albert F.Clark e Abraham Shapiro aprimoram a técnica CAF em 1949, pateando um processo de bombeamento de petróleo pesado. Nesse processo, eles chegaram à razão de 24% de injeção de água, reduzindo o gradiente de pressão à um fator de 7,8 – 10,5 e otimizando a redução de pressão de 8-10%, no entanto, não foi possível estudar o padrão de fluxo.

Em 1959, Thomas William Fraser Russell e Michael E. Charles estudaram e analisaram o fluxo estratificado e o CAF de dois líquidos imiscíveis com uma expressiva diferença de viscosidade. Após esses estudos, eles propuseram um modelo teórico que obteve a redução da perda de carga e a redução de energia no CAF óleo/água.

Sendo que de acordo com o modelo proposto, a energia requerida para bombear óleos altamente viscosos pode ser reduzida quase 500 vezes por meio da aplicação da CAF.

No início da década de 70, David Hasson, V Mann e A Nir começaram a estudar a injeção de água na tubulação para projetar um injetor diferente dos existentes, um modelo que otimizasse a formação do CAF.

Nesse mesmo ano, eles projetaram um injetor que fazia com que o caminho percorrido pela parede de água fosse gradativamente afunilado, sendo que eles observaram que este tipo de configuração reduzia as perturbações e também concluíram que a posição simétrica do injetor era mais eficaz.

Esquema do Injetor projetado por Hasson, Mann e Nir (Hasson, Mann e Nir 1970)

Em 1971, Michael Bentwich estudou o fluxo de dois líquidos imiscíveis na tentativa de obter o formato da interface ideal, considerando a tensão superficial, gravidade e forças de capilaridade. Por meio desse método de análise, foi alcançada uma redução de 50% da perda de pressão.

Na década de 80, a aplicação da técnica CAF em tubulações verticais começou a ganhar força e passou a ser mais estudada pelos pesquisadores. Um dos maiores trabalhos da época foi o Stability of Core Annular flow in vertical pipes, que foi elaborado por Daniel D Joseph, KangPing Chen, Runyuan Bai e Yuriko Y Renardy em 1989.

Em 1997, Joseph, Chen, Bai e Renardy publicaram outro trabalho de grande importância para o estudo da técnica CAF, que foi o estudo dos padrões de escoamento da mistura bifásica água/óleo em tubulações horizontais. Onde apresentaram as variações no escoamento, que são decorrentes da variação de velocidade e pressão da mistura óleo/água, conforme mostrado na figura abaixo:

Padrões de escoamento decorrentes da variação de velocidade e pressão (JOSEPH, CHEN, BAI e RENARDY, 1997)

Os padrões de escoamento foram classificados como:

a) Dispersão ou emulsão de óleo em água;

b) Gotas alargadas ou esféricas de um fluido em outro;

c) Intermitente;

d) Intermitente;

e) Estratificado;

f) Anular ondulado;

g) Wavy Core Annular Flow, Core-Flow ou Bamboo Waves;

h) Wavy Core Annular Flow com dispersão de bolhas;

i) Dispersão de água em óleo.

Recentemente em 2014, um grupo de 10 estudantes composto por Andhros Guimarães, Cristiane Marquinez, Daniel Torneiros, Danilo Tavares, Letícia Campi, Maria Eduarda Ascariz, Mariana Vilas Boas, Paulo Roberto Fonseca, Pedro Coelho e Rodrigo Chesmem da Universidade Santa Cecília; montaram uma bancada experimental para estudar a aplicação da técnica CAF em tubulações verticais.

O grupo conseguiu formar o CAF padrão Bamboo Wave com uma vazão composta por 60% de óleo e 40% de água.

Escoamento de mistura bifásica usando a técnica Core Annular Flow na Vertical

Agradecimento do autor

A técnica CAF abordada nessa postagem foi estudada em meu TCC, que foi denominado de Estudo da Aplicabilidade de Core Annular Flow em Trecho Vertical de um Escoamento Bifásico de Óleo e Água. Nesse TCC, eu tive a oportunidade de trabalhar com os meus amigos Andhros Guimarães, Cristiane Marquinez, Daniel Torneiros, Danilo Tavares, Letícia Campi, Maria Eduarda Ascariz, Mariana Vilas Boas, Paulo Roberto Fonseca e Rodrigo Chesmem; os quais eu quero agradecer nessa postagem pelos bons e maus momentos passados durante essa árdua caminhada do TCC.

Aproveitando o momento, também quero agradecer a minha amiga Carolina Sobral, por ter revisado essa postagem.

Referências

• Isaacs,J.,Speed,J. Method of piping fluids. US Patent 759374, 1904.
• Looman M.D, Method of Conveying oil, U.S.Patent 1192438,1916.
• Clark AF, Shapiro A. Method of pumping viscous petroleum. U.S. Patent.2,533,878, 1949
• Hasson D, Mann V, Nir A. Annular flow of two immiscible liquids. I. Mechanisms. Can J Chem Eng 1970.
• Chen KP, Bai R, Joseph DD. Lubricated pipelining. Part 3. Stability of Core Annular Flow in Vertical Pipes. J Fluid Mech 1989
• Joseph DD, Bai R, Chen KR, Renardy YY. Core-annular flows. Annual reviews. J Fluid Mech 1997.
• Strazza D. Core-annular flow in horizontal and slightly inclined pipes: Existence, pressure drops, and hold-up. Chem Eng Sci 2010.
• Silva A G, Araújo C M, Torneiros D L M, Santos D T, Souza L C F, Ascariz M E M L, Silva M V B, Fonseca P R S C, Mendes P H C, Ferreira R C G, Estudo da Aplicabilidade de Core Annular Flow em Trecho Vertical de um Escoamento Bifásico de Óleo e Água, Unisanta, Santos, SP, Brasil, Dezembro, 2014.

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)