Previsão da distribuição do tamanho de gotas em escoamento de emulsões por modelo de balanço populacional: simulação numérica e experimentos
| dc.contributor.advisor1 | Ramos, Rogério | |
| dc.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000-0003-4493-2435 | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/2975022316691139 | |
| dc.contributor.author | Elias, Murilo Zucatelli | |
| dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0009-0009-7422-2101 | |
| dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/6373443252232198 | |
| dc.contributor.referee1 | Lage, Paulo Laranjeira da Cunha | |
| dc.contributor.referee1ID | https://orcid.org/0000-0002-0396-5508 | |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5576851640501227 | |
| dc.contributor.referee2 | Siqueira, Renato do Nascimento | |
| dc.contributor.referee2ID | https://orcid.org/0000-0002-8397-8180 | |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/9791817633014124 | |
| dc.date.accessioned | 2025-07-30T19:40:19Z | |
| dc.date.available | 2025-07-30T19:40:19Z | |
| dc.date.issued | 2025-03-20 | |
| dc.description.abstract | During oil production, shear and turbulence in the Ćow progressively break water droplets, leading to the formation of stable water-in-oil (W/O) emulsions. This study investigated the droplet breakup and coalescence dynamics in W/O emulsions through laboratory experiments and population balance modeling. The research was conducted using the NEMOG/UFESĆowcircuit, focusing on the impact of gate valve restrictions on the droplet size distribution (DSD). The Coulaloglou and Tavlarides (CT) and Mitre et al.(CEM) published models were applied to simulate the observed phenomena, with parameter adjustments to optimize predictions against experimental data. Results showed that the MV-01 valve, located at the circuitŠs inlet, predominantly induced droplet breakup, causing a moderate reduction in the mean droplet size. In contrast, the downstream MV-02 valve exhibited greater variability in DSD due to a signiĄcant increase in coalescence events, particularly at dispersed phase concentrations exceeding 15% v/v. The implemented models effectively predicted the DSD for water volume fractions of 5%, 10%, and 15% v/v. The CEM model demonstrated superior overall performance, even with its original parameters, although it underestimated coalescence effects at high dispersed-phase concentrations. With mean errors ψ of approximately 40% for MV-01 and 16% for MV-02 when considering the distribution. Predictions of the mean droplet diameter, De brouckere, yielded mean errors ψ below 23% for MV-01 and 9% for MV-02. The CT model showed limitations in fully describing coalescence phenomena, requiring additional adjustments under severe conditions. Factors such as water volume fractions and the heterogeneous distribution of turbulent energy were identiĄed as critical for improving predictions. Sensitivity analysis revealed that breakup and collision parameters (Cb and Cc) had the most significant inĆuence on prediction errors, whereas the coalescence efficiency parameter (Ce) had a negligible impact. Experimental results partially corroborated model predictions, with average and maximum errors comparable to those reported in the literature. The maximum error in the predicted volume-weighted mean droplet diameter (D[4,3]) was 25.6%, highlighting the need for advancements in submodels for coalescence and energy dissipation to enhance simulation accuracy. | |
| dc.description.resumo | Durante a produção de petróleo, o cisalhamento e a turbul ncia no escoamento fragmentam as gotas de água presentes, promovendo a formação de emulsões estáveis de água em óleo (A/O). Este trabalho investiga os processos de quebra e coalescncia de gotas em emulsões A/Opormeio de experimentos laboratoriais e modelagem baseada em balanço populacional. Os estudos foram realizados no circuito de escoamento do NEMOG/UFES, com foco no impacto das restrições impostas por válvulas gaveta sobre a distribuição de tamanho de gotas (DTG). Os modelos da literatura publicados por Coulaloglou e Tavlarides (CT) e de Mitre et al. (CEM) foram aplicados para simular os fenômenos observados, ajustando parâmetros para otimizar as predições em relação aos dados experimentais. Os resultados mostraram que a válvula localizada no início do circuito induziu predominantemente eventos de quebra, resultando em uma redução moderada no tamanho médio das gotas. Em contraste, a válvula posicionada posteriormente, apresentou maior variabilidade na DTG, associada ao aumento signiĄcativo de eventos de coalescncia, especialmente em concentrações volumétricas da fase dispersa acima de 15% v/v. Os modelos implementados mostraram boa capacidade de prever a DTG para frações volumétricas de água de 5%, 10% e 15% v/v. O modelo CEM demonstrou melhor desempenho global, mesmo utilizando parâmetros originais, mas subestimou os efeitos de coalescncia em altas concentrações de água dispersa, com erros médios ψ inferiores a 40% para a primeira válvula e 16% para a segunda considerando a distribuição. As predições do diâmetro médio de De Brouckere apresentaram erros médios ψ inferiores a 23% para a primeira válvula e 9% para a segunda. Já o modelo CT apresentou limitações na descrição completa dos eventos de coalescncia, exigindo ajustes adicionais em condições de elevada concentração de fase dispersa. Fatores como a fração volumétrica e a distribuição heterognea da energia turbulenta foram identiĄcados como críticos para a melhoria das previsões. A análise de sensibilidade revela que os parâmetros associados à quebra e colisão de gotas (Cb e Cc) tm maior inĆuncia no erro de predição, enquanto o parâmetro de eĄci ncia de coalescncia (Ce) mostrou impacto marginal. Os resultados experimentais corroboraram parcialmente as predições dos modelos, com erros médios e máximos comparáveis aos obtidos na literatura. O erro máximo no diâmetro médio volumétrico (D[4,3]) foi de 25,6%, reforçando a necessidade de avanços nos submodelos de coalescência e dissipação de energia para aprimorar a precisão das simulações. | |
| dc.description.sponsorship | Fundação Espírito-santense de Tecnologia – FEST | |
| dc.format | Text | |
| dc.identifier.uri | http://repositorio.ufes.br/handle/10/19949 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal do Espírito Santo | |
| dc.publisher.country | BR | |
| dc.publisher.course | Mestrado em Engenharia Mecânica | |
| dc.publisher.department | Centro Tecnológico | |
| dc.publisher.initials | UFES | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica | |
| dc.rights | open access | |
| dc.subject | Quebra de gotas | |
| dc.subject | Água em óleo | |
| dc.subject | Escoamento multifásico | |
| dc.subject.cnpq | Engenharia Mecânica | |
| dc.title | Previsão da distribuição do tamanho de gotas em escoamento de emulsões por modelo de balanço populacional: simulação numérica e experimentos | |
| dc.type | masterThesis |