7- curso flujo multifásico. tailtel and dukler
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FLUJO BIFASICO EN TUBERÍAS
Modelo MecanísticoTaitel & Dukler
Dr. Miguel ASUAJEDr. Miguel ASUAJEJulio 2007
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Comparación
Comparación entre el mapa de Mandhane (1974) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, flujo horizontal, diámetro 1”
Experimental:
Teoría:
• Comparación entre datos experimentales (Shoham 1980) y el modelo de Taitel y Dukler (1976): agua-aire, flujo horizontal, diámetro 1”
Comparación
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:
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
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:
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:
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.
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
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