Flujo trifsico de lquido-lquido-gas en tuberas de 5,6 mm y 7 mm de dimetro interior. Abstract.Mapas de flujo de lquido-gas-lquido trifsicos en tuberas de dimetros interiores medianas (5,6 mm y 7 mm), se presentan. Un aceite de baja viscosidad parafina (4,5 10? 3 Pa s viscosidad y 818,5 kg m? 3 densidad a 20? C), agua desionizada y el aire fluyen simultneamente en Schott Duran? tubos de vidrio. Un dimetro de la tubera disminuye cambia los mapas de patrones de flujo y tambin el comportamiento de los lmites de transicin. Los patrones de flujo son determinados por fotografa de alta velocidad. Para iluminar el tubo, se aplica la fluorescencia inducida por lser (LIF). La hoja de lser est cortando a travs del plano vertical axial de la tubera. La luz del lser excita un tinte fluorescente (uranina) en la fase acuosa para separar las fases pticamente. Los mapas de flujo resultantes se comparan con los datos de la literatura y un modelo terico.1. Introduccin.La produccin continua en reactores tubulares de dimetros en el intervalo de unos pocos milmetros es un tema prometedor para la industria de la qumica fina y farmacutica. Tales reactores tubulares proporcionan algunas ventajas en comparacin con los reactores de tanque agitado continuamente. En el caso de reacciones con alto potencial de peligro, volmenes pequeos dan como resultado un bajo impacto de posibles reacciones incontroladas y en una relacin favorable de la superficie de intercambio de calor a volumen. Este hecho permite un mejor control de la temperatura dentro del reactor y por lo tanto una mejora en el control de la reaccin y los rendimientos ms altos. Diseo fiable de este tipo de instalaciones requiere un conocimiento sustancial del flujo en el interior de las tuberas. Se necesita el conocimiento del patrn de flujo, que se desarrolla dentro de la tubera para las condiciones de flujo especiales para estimar el rea de contacto entre los fluidos inmiscibles. Una aplicacin de una reaccin lquido-gas lquido trifsico en un reactor tubular es presentado por Wiese et al. (2003). Durante la hidroformilacin de olefinas inferiores, las olefinas junto con hidrgeno y monxido de carbono (gas de sntesis) se convierten a aldehdos.En los ltimos 15 aos, los flujos de lquido-gas-lquido trifsicos alcanzaron considerable inters por la literatura. La investigacin en este campo fue motivado principalmente por la industria petroqumica. Normalmente, el flujo a travs de un pozo de nima consta de petrleo crudo y gas natural. Si el pozo se queda sin aceite, por lo general el agua es bombeada en el suelo, para exprimir el aceite restante. Esto conduce a los flujos de lquido-lquido-gas trifsicos y de este modo totalmente diferentes estructuras de flujo en el interior del agujero del pozo. Otras aplicaciones, donde se producen los flujos de lquido-lquido-gas trifsicos son mezclas calentadas de dos fluidos inmiscibles donde uno de los componentes se est evaporando o gas liberacin de reacciones entre dos lquidos inmiscibles.Tek (1961), uno de los primeros autores en este campo, investig 31 pozos con respecto a su tasa de produccin de petrleo y gas y la cada de presin. Desarroll un grfico de trabajo para el clculo de los gradientes de presin de dos fases en las cadenas de flujo vertical. Herm Stapelberg y Mewes (1991) llevaron a cabo experimentos en tubos horizontales de 23,8 mm y 59 mm de dimetro interior de predecir la cada de presin, la frecuencia babosa, la velocidad y la longitud babosa babosa. Estos datos son necesarios para disear tuberas que transportan la mezcla original que sale de un pozo de perforacin costa afuera para plataformas existentes oa las plantas de refinacin en tierra. Utilizaron agua, mineral blanco aceite Shell? Ondina 17 y el aire para sus experimentos. El aceite tiene una viscosidad de g = 31 10? 3 Pa s, una densidad de 858 kg q = m? 3 y una tensin interfacial de agua de r = 53,3 10? 3 Nm? 1 a 20? C. Acikgoz et al. (1992) hicieron algunas investigaciones fundamentales sobre los patrones de flujo que pueden ocurrir en los flujos de gas-agua-aceite. Tek (1961), uno de los primeros autores en este campo, investig 31 pozos con respecto a su tasa de produccin de petrleo y gas y la cada de presin. Desarroll un grfico de trabajo para el clculo de los gradientes de presin de dos fases en las cadenas de flujo vertical. Herm Stapelberg y Mewes (1991) llevaron a cabo experimentos en tubos horizontales de 23,8 mm y 59 mm de dimetro interior de predecir la cada de presin, la frecuencia babosa, la velocidad y la longitud babosa babosa. Estos datos son necesarios para disear tuberas que transportan la mezcla original que sale de un pozo de perforacin costa afuera para plataformas existentes oa las plantas de refinacin en tierra. Utilizaron agua, mineral blanco aceite Shell? Ondina 17 y el aire para sus experimentos. El aceite tiene una viscosidad de g = 31 10? 3 Pa s, una densidad de 858 kg q = m? 3 y una tensin interfacial de agua de r = 53,3 10? 3 Nm? 1 a 20? C. Acikgoz et al. (1992) hicieron algunas investigaciones fundamentales sobre los patrones de flujo que pueden ocurrir en los flujos de gas-agua-aceite. El aceite utilizado en sus experimentos tena una densidad de q = 865 kg m? 3 a 15? C y una viscosidad de g = 48 10? 3 Pa s a 20? C. Seis patrones de flujo diferentes fueron identificados y la notacin patrn de flujo de Pan (1996) ha sido adoptado. Los autores compararon sus experimentos con los mapas de flujo de Acikgoz et al. (1992) y Pan (1996) y para la de dos fases mapa generalizada patrn de flujo de Taitel y Dukler (1976). Fordham et al. (1999) demostraron sensores de fibra-ptica locales para la discriminacin de lquidos inmiscibles. Se utilizan agua, queroseno y aire en un tubo de dimetro interior 78 mm. Oddie et al. (2003) llev a cabo del gas de agua, aceite-agua y los experimentos de flujo de agua y gas de petrleo en un 150 mm de dimetro interior, tubo de plexigls inclinable. Los fluidos utilizados fueron el agua del grifo, el queroseno y el nitrgeno. Los resultados experimentales han sido comparados con el modelo de gas lquido en dos fases mecanicista de Petalas y Aziz (2000). Debido a la de dos caracteres de fluido de este modelo, el agua del grifo y el queroseno se han fusionado a una fase lquida con propiedades promediadas. El modelo se encontr para predecir el patrn de flujo observado experimentalmente con gran precisin. El holdup se predijo tambien por el modelo. Bannwart et al. (2004) publicaron los resultados de los experimentos en una mezcla de agua, aire y un crudo pesado en una tubera de 28,4 mm tubo de vidrio de dimetro interior. El aceite usado tena una viscosidad de 3400 g = 10 ? 3 Pa s, una densidad de 970 kg q = m? 3 a 20? C. Nueve patrones de flujo diferentes fueron reconocidos y nombrados de analogas con los flujos de gas-lquido.En la Tabla 1 los papeles, proporcionando mapas de flujo para tuberas horizontales, se enumeran con el dimetro de la tubera y las propiedades de la fase orgnica.En la literatura se menciona en la Tabla 1 no hay valores de tensiones interfacial- y de la superficie disponible. La estructura de flujo en el intervalo de dimetros de tubera investigados por estos autores depende principalmente de la fuerza gravitatoria. Fuerzas de tensin Interfacial- y superficiales adquieren mayor importancia con dimetros ms pequeos. En este trabajo nos ocupamos de dimetros en el rango de unos pocos milmetros. Aqu la influencia de la, fuerza de tensin interfacial y la superficie gravitatoria sobre la estructura del flujo es de igual magnitud. Este trabajo tiene como objetivo destacar la estructura del flujo cambios debido a la creciente influencia de las fuerzas de tensin interfacial y de la superficie a medida que disminuye el dimetro del tubo. Los resultados experimentales muestran que existen diferencias considerables entre los mapas de patrones de flujos desarrollados fuera de la tubera 7 mm y el tubo de 5,6 mm, respectivamente.

2. Experimento2.1. Preparacin.Los experimentos se llevan a cabo en las instalaciones de flujo multifsico se muestra en la Fig. 1. Agua y aceite de parafina se almacenan en tanques de 70 l y como aire comprimido en fase gaseosa se suministra por la red de aire local. El tubo est hecho de vidrio (Schott Duran?) Y tiene una longitud total, entre la seccin de entrada y el recipiente de separacin, de 5 m. El recorrido, que consta de cinco secciones, cada una con una longitud de 1 m. La presin se mide con Endress Hauser-? transductores de presin del tipo Cerabar TPMC 131 con una precisin til de 0,02 bar. La temperatura se mide con Thermocoax? termopares con una precisin til de 0,1? C. Fotos de la corriente se toman con una cmara digital de alta resolucin (Minolta Dimage 7i con una resolucin de 2560 1920 pxeles). El rea de visualizacin es de 48 mm 36 mm. Esto resulta en una resolucin de 0,019 mm por pxel. La cmara utilizada tiene una baja velocidad de obturacin de 1/2000 s. Para reducir al mnimo el desplazamiento del flujo durante el tiempo en que el obturador est abierto, el producto del tiempo de iluminacin, veces la velocidad, tiene que ser menor que la resolucin de las imgenes (0,019 mm). Con una velocidad mxima de la mezcla de Umixture = 9,77 ms? 1 esto se traduce en un tiempo de iluminacin menor que 1,9 ls. Para lograr esto, se utiliza una hoja de lser generada por un lser de argn-ion (coherente? Innova 305) y se pulsan por una rueda chopper (HMS Lightbeam Chopper 221). La luz del lser excita el uranina en la fase acuosa (. Figs 3-8). Esta tcnica de iluminacin da muy buen contraste entre el agua y las otras dos fases porque ni el petrleo ni el gas emite ninguna luz. La distincin de la interfaz aceite-gas es reconocido por las reflexiones y distorsiones de la luz lser. Las imgenes tomadas desde el sistema de iluminacin por el lser proporcionan informacin sobre la estructura del flujo en una seccin transversal de la tubera. Esto permite analizar los patrones de flujo con dispersities superiores. Las imgenes del flujo se toman a una distancia de 3,7 m de la entrada de la tubera. Esto corresponde a 660 dimetros de tubera para el tubo de 5,6 mm y 528 dimetros de tubera para el tubo de 7 mm. En esta posicin, el flujo puede considerarse plenamente desarrollado.

Como la fase de agua, agua desionizada, teido con uranina (sal sdica de fluorescena) se utiliza. La tensin superficial de la fase de agua es rwater = 78,7 10? 3 Nm? 1 (a 20? C). Como la fase de aceite, baja viscosidad de parafina se utiliza con una tensin superficial de parafina = 29,6 10? 3 Nm? 1 (a 20? C). La tensin interfacial entre los dos fluidos es agua de parafina = 62,2 10? 3 Nm? 1 (a 20? C). Las tensiones superficiales se miden con un '' Kruess G 10 '' dispositivo de medicin del ngulo de contacto. Los tanques de almacenamiento estn presurizadas con aire comprimido hasta 6 bar. Las velocidades de flujo de masa de los lquidos son controlados por dos controladores de flujo msico tipo Coriolis con un caudal de masa mxima de 180 kg h? 1 y una precisin del 0,2% del caudal deseado. La tasa de flujo msico del aire comprimido se controla mediante un controlador de flujo de masa trmica con una tasa mxima de flujo de volumen de 10 nl min? 1. En los experimentos de las velocidades superficiales de agua, parafina y areas son variados de acuerdo a la Tabla 2.

Debido a los cambios de temperatura en la instalacin experimental, la densidad y la viscosidad de los fluidos variar en un intervalo dado en la Tabla 3.

La densidad del agua y la viscosidad se calcula de acuerdo con la IAPWS-IF97 estndar internacional Wagner y Kruse (1998), la densidad y la viscosidad de parafina se calculan segn Stahl (2002) y las propiedades del aire se aproximan a los valores de azote. Las fases puras de agua, parafina y el aire se introducen en el tubo por una pieza de conexin en forma de T como se muestra en la Fig. 2. Este estudio se centra en la influencia de la tubera en las estructuras de flujo. Por lo tanto las fases inmiscibles se juntan en una zona con una seccin cuadrada mucho ms grande que en las tuberas. Esto reduce los efectos de mezcla en la zona de entrada.2.2. Procedimiento.Durante un experimento, en primer lugar, las velocidades de flujo del agua, la parafina y el aire se ajustan y se permite el flujo de alcanzar el estado estacionario. Se asume el estado de equilibrio, cuando los valores de presin medidos permanecen constantes. En segundo lugar, se inicia la grabacin de los datos de la temperatura y la cada de presin. Y en tercer lugar, las fotos de la corriente se toman de acuerdo con el mtodo descrito anteriormente. Debido a la relativamente pequea gama del flujo, que es capturado por las imgenes, lo cual es 48 mm (seccin 2.1), el flujo, adems, se observ visualmente para ver estructuras de flujo que son ms de 48 mm. Para construir los tres mapas de flujo de fase, se utiliz la siguiente metodologa. La velocidad superficial de aceite se mantuvo constante a 0,1 ms? 1, 0,3 ms, 0,6? 1? 1 ms y 1,0 ms? 1 tanto para la 5,6 mm y el tubo de 7,0 mm. A continuacin, la velocidad superficial del aire se aument paso a paso, mientras que la velocidad superficial del agua se mantuvo constante.

3. Resultados y discusin. El nmero de patrones de flujo distinguibles depende de la gama de los parmetros de flujo (el rango se da en la Tabla 2) y de la interpretacin individual del autor. En dos flujos de fase, Wong y Yau (1997), por ejemplo, 16 patrones de flujo distinguidos! Similar a Acikgoz et al. (1992) y Bannwart et al. (2004) los nombres de los patrones de flujo en este trabajo consisten en dos partes. La primera parte describe el patrn de flujo, lo que excluye la parte lquida-lquida del flujo. Y la segunda parte describe el patrn de flujo que gobierna la relacin de mezcla de gas lquido. En ambas partes se puede producir flujo estratificado, intermitente, disperso y anular. Tericamente esto lleva a 16 posibles patrones de flujo, donde de slo 6 han sido observados. Se describen en lo siguiente.3.1. Patrones de flujo observados.Cada imagen en las figuras. 3-8 muestra una seccin transversal axial todo el flujo. La altura de las imgenes corresponde al dimetro de tubo interior. La anchura de cada imagen fue tomada de la zona que es suficientemente iluminada por la lmina de lser. Esto conduce a una proporcin variable de anchura a altura entre las imgenes. Como se mencion en la Seccin 2.2, el rango del flujo capturado por la imagen es esencialmente ms pequeo que la longitud de las estructuras de flujo peridico. Cada figura (Figs. 3-8) muestra dos imgenes tomadas en las mismas condiciones de flujo para visualizar las diferentes formas de la corriente. As, por ejemplo en la Fig. 3 La imagen superior muestra una cadena de grandes burbujas de aire, mientras que la segunda imagen muestra la cola de un largo, burbuja de aire plana y tapn grande de parafina. As Figs. 3-8 muestran una imagen que representa la parte lquida-lquida del patrn de flujo y una imagen que representa la parte de la mezcla lquido-gas del patrn de flujo. Debido a razones de resolucin de la mayora de las imgenes son tomadas de experimentos en el tubo de 7 mm. El dimetro ms grande permite al observador ver ms detalles. Slo las imgenes de la Fig. 8 se toman a partir de experimentos en el tubo de 5,6 mm. Esto es porque el patrn de flujo disperso anular no se observ en el tubo de 7 mm. Patrn de flujo estratificado intermitente (ST-I). Esto significa, que el agua y la parafina estn fluyendo en una formacin estratificada mientras que el gas junto con los lquidos se est formando una formacin intermitente. Una distincin entre el conector y el flujo de lodo no se ha llevado a cabo debido a la falta de un criterio bien definido. En la Fig. 3 se puede observar, que el agua es la construccin de una capa perfecta en la parte inferior de la tubera y la parafina por encima est llevando a las grandes burbujas de aire.

Patrn de flujo anular intermitente (A-I). Aqu, el agua se acumula una pelcula continua a lo largo de la circunferencia de la tubera. La parafina construye el principal flujo del ncleo que est llevando a las burbujas de gas de diferentes tamaos. Tambin existen las gotas de agua en el interior del ncleo de parafina. Esto es debido a la velocidad de deslizamiento entre la pelcula de agua y el ncleo de parafina. Este deslizamiento permite que las ondas que crecen en la interfaz entre los dos lquidos de acuerdo con el mecanismo de inestabilidad Kelvin-Helmholtz y para arrancarlas de ambos y construir las gotitas de agua en el interior del ncleo de parafina y gotas de parafina en el interior del anillo de agua (Fig. 4).

Patrn de flujo intermitente-dispersa (I-D). Este flujo se caracteriza por una dispersin homognea de la parafina en el agua. El gas se distribuye en pequeas burbujas, reconocibles por los puntos brillantes en la fig. 5. Bajo estas condiciones de flujo, la energa turbulenta, disipada por los dos fluidos, es lo suficientemente alta para mantener el aire dispersado.

Patrn de flujo-intermitente intermitente (I-I). Bajo las condiciones, que se describe en la Fig. 6, el agua contiene grandes segmentos de tanto la parafina y el aire. Como puede verse, el aire est rodeado de parafina, que es vlido para todos los patrones de flujo, excepto los patrones de flujo dispersos. El mismo fue reportado por Troniewski y Tyga (2003) con los flujos de aceite agua-aire en 12 mm, 16 mm y 22 mm tubos de dimetro interior.

Patrn disperso intermitente flujo (D-I). El patrn de flujo disperso intermitente es el ms reconocido en los experimentos presentados aqu. Suficiente energa turbulenta se disipa a la mezcla lquida para llegar a una dispersin de la parafina en el agua. Tambin el aire es parcialmente dispersa en la mezcla lquida, pero la parte principal se encuentra en grandes secciones, que separa las babosas lquidos. Las columnas brillantes debajo de las gotas de parafina oscuras, visibles en la Fig. 6 y 7, son causados por la diferencia de ndice de refraccin entre la parafina y el agua (nW = 1,337; nP = 1,45). Una gota de parafina, que est iluminada por los actos de chapa por lser como una lente colectora, enfocando la luz.

Patrn disperso anular de flujo (D-A). Para velocidades de lquidos de baja y la velocidad del gas ms alta utilizada en el tubo de 5,6 mm, se reconoci flujo anular dispersa. En estas condiciones especficas, la velocidad del gas es lo suficientemente alta para establecer un ncleo de gas continuo. Los lquidos son altamente dispersos debido a la alta turbulencia inducida por el gas.

3.2. Mapas de patrones de flujo.Los mapas de flujo estn construidos de acuerdo a Bannwart et al. (2004). Como se mencion anteriormente, casi todos los patrones de flujo reconocidos muestran un comportamiento intermitente entre la mezcla de lquido y el gas. Por lo tanto los mapas de flujo muestran en las Figs. 9-12 se construyen con una velocidad superficial de gas constante (Bannwart utiliza velocidades superficiales de agua constante). De esta manera, se mejora la visibilidad de las diferentes estructuras de flujo en desarrollo en la parte lquida de la corriente.3.2.1. Mapas de flujo en la tubera de 5,6 mm (. Las figuras 9 y 10).Para velocidades superficiales del gas de UGS 6 4,0 ms? 1 se observa el patrn de flujo estratificado intermitente. Existe slo para las velocidades superficiales de agua UWS 6 0.1 ms? 1. El mapa muestra los patrones de flujo, que al disminuir la velocidad superficial de parafina el patrn de flujo cambia a I-I para UGS 6 1.0 ms? 1 o D-I para UGS P 1.5 ms? 1. Esto significa que se necesita una cierta fraccin de parafina para mantener un patrn de flujo estratificado.Para UGS = 6,77 ms? 1 y velocidades superficiales lquidos bajos, se observa flujo disperso anular. Segn Taitel y Dukler (1976), bajo estas condiciones particulares, la cantidad de lquido no es lo suficientemente grande como para mantener el flujo de gas-lquido intermitente. El lquido se barri todo alrededor de la pared del tubo, formando un anillo. Bajo estas condiciones el gas produce suficiente turbulencia para dispersar toda la parafina en el agua. Flujo disperso rige el sistema lquido-lquido.Existe el patrn de flujo intermitente dispersado por UGS 1 fuerzas gravitacionales son dominantes y para Bo