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.

Definição e Mecânica do CAF

A técnica Core Annular Flow (CAF) envolve um núcleo central de óleo de alta viscosidade circundado por uma fina película de água em contato com a parede da tubulação. O principal objetivo é a redução do atrito, a água lubrifica a tubulação, minimizando a tensão de cisalhamento no óleo e proporcionando uma economia de energia de até 90% na perda de pressão em comparação com o fluxo de óleo puro.

O óleo pesado é transportado pela injeção de água em baixas taxas (tipicamente 10-30% do volume total) a montante, formando uma camada anular estável por meio da tensão interfacial e das diferenças de velocidade. Ao contrário das emulsões dispersas ou dos fluxos estratificados, o CAF mantém fases distintas, com a água, menos viscosa, suportando a maior parte do cisalhamento, diferentemente do transporte de óleo monofásico, onde a viscosidade domina o arrasto.

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

Principais Vantagens

O CAF reduz a perda de pressão em 70-95%, dependendo da viscosidade do óleo e da fração de água, com uma eficiência de redução de arrasto frequentemente superior a 80% em testes de laboratório e de campo. 

A injeção de água reduz o cisalhamento efetivo na parede, deslocando a tensão para a interface água-óleo, diminuindo a energia de bombeamento, o que é crucial para óleos extrapesados ​​acima de 1000 cP.

Os benefícios para oleodutos incluem custos operacionais mais baixos, menor desgaste da tubulação e viabilidade para transporte de longa distância sem diluentes, como observado em testes na Venezuela e no Brasil.

Fundamentos da Simulação CFD

Simule o CAF no ANSYS Fluent usando o modelo multifásico Volume de Fluido (VOF) com solucionador implícito para interfaces nítidas, definindo o óleo como a fase central e a água como anular. Para CFD bifásico óleo-água, aplique modelos de turbulência laminar ou k-ε, com ângulos de contato de adesão à parede em torno de 30-50° para capturar a estabilidade do filme.

A análise de estabilidade envolve perturbações lineares ou simulações transientes VOF para rastrear ondas na interface; a estabilidade ao cisalhamento refere-se à resistência à ruptura devido às tensões tangenciais na interface. A espessura da película de água é medida por meio de perfis de retenção obtidos a partir de simulações ou experimentos usando sondas de condutividade ou fluorescência induzida por laser.

Desafios de Estabilidade

As instabilidades surgem de ondas de Kelvin-Helmholtz, estratificação de densidade ou efeitos Marangoni induzidos por surfactantes, levando à ruptura do núcleo em tubulações horizontais. A reinicialização da tubulação após a parada requer a reinjeção gradual de água para reconstruir o espaço anular antes da entrada de óleo, evitando a formação de emulsão, frequentemente utilizando pigs ou aumentos de pressão.

Os riscos de incrustação decorrem da deposição de asfaltenos na interface ou do crescimento bacteriano na água, mitigados por aditivos; a gravidade afeta minimamente o CAF horizontal devido às rápidas ondas interfaciais que centralizam o núcleo.

Diretrizes de Projeto

A vazão de água ideal é de 10 a 20% do volume de entrada para lubrificação, garantindo taxas de retenção onde o raio da água seja de aproximadamente 0,2 a 0,3 do raio da tubulação. A instabilidade CAF turbulenta surge em números de Reynolds do óleo acima de 2000-4000, combinando um núcleo laminar com um anel turbulento.

Uma viscosidade de óleo mais alta (por exemplo, >500 cP) estabiliza o núcleo, mas exige taxas de água precisas para evitar inundações; as relações de viscosidade ideais excedem 10:1 para gradientes de pressão mínimos.

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.
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0263876221004214 (acessado em 10/02/2026 as 19:18).
• https://www.academia.edu/51069050/Core_Annular_Flows (acessado em 10/02/2026 as 19:23)
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0009250911002259 (acessado em 10/02/2026 as 19:31).
• https://www.nottingham.ac.uk/mathematics/study/research/phd-research-opportunities/phd-projects/stability-of-core-annular-flow-in-the-presence-of-soluble-surfactant.aspx (acessado em 10/02/2026 as 19:47).
• https://www.bohrium.com/paper-details/energy-savings-on-heavy-oil-transportation-through-core-annular-flow-pattern-an-experimental-approach/812723934989385729-3932 (acessado em 11/02/2026 as 19:03).
• https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=38553 (acessado em 11/02/2026 as 19:11) 
• https://proceedings.aiche.org/conferences/aiche-annual-meeting/2023/proceeding/paper/149l-harnessing-feedback-control-strategy-improved-core-annular-flow-stability-heavy-oil (acessado em 11/02/2026 as 19:15).
• https://pubs.aip.org/aip/pof/article/25/1/014104/258454/Manipulation-of-instabilities-in-core-annular (acessado em 11/02/2026 as 19:34).
• https://paca.ime.usp.br/file.php/159/TOPICO_05/Joseph_D.D._Bai_R._Chen_P.K._Renardy_Y_Y_Annu._Rev._Fluid_Mech._1997.29_pp.65-90.pdf (acessado em 12/02/2026 as 19:55).
• https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/characteristics-of-turbulent-coreannular-flow-with-waterlubricated-high-viscosity-oil-in-a-horizontal-pipe/D4BE39708411B41BA05A89C572F045A4 (acessado em 12/02/2026 as 20:12).

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu conclui recentemente o curso 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 :)