Experiments on air-water flows with foam in horizontal pipes

This work, carried out in the laboratory of Multiphase Thermal-Fluid Dynamics at Energy Department of Politecnico di Milano, presents the results of an experimental campaign aiming at the characterization of a two-phase air-water flow in a horizontal pipe in the presence of surfactants, with the consequent generation of foam. The goal is to verify whether the use of surfactants may effectively reduce the liquid loading in horizontal pipelines for natural gas transportation from the production well to the first collection center; the effort has been focused on the low gas superficial velocity range (0.41 – 2.30 m/s), which a previous work found out to be the most promising in that sense. First, air-water flow without surfactant was investigated: pressure drop and liquid holdup were measured to set the reference frame of the work. The results were compared against the two-fluid models of Taitel and Dukler and Ullmann and Brauner: both failed in predicting pressure drop and liquid holdup at low gas superficial velocity, therefore the experimental results were used to obtain an empirical correlation for the interfacial shear stress. Then, air-liquid-foam flow was investigated: two main flow patterns were observed: plug flow at low gas velocity, stratified-wavy at higher velocity; transition occurs in the interval JG = 0.55 - 0.91 m/s. Pressure drop and foam quality were measured in the whole considered range, while it was possible to measure liquid loading only in stratified flow condition, thanks to a new optical method specifically developed. It was found a pressure drop relative increase ranging from 570 at low JG to 11 at high JG, and a liquid loading reduction up to 40 %. Void fraction appears to be well described by Zuber and Findlay model, but since the drift velocity results negative, its ability to properly describe the physics of the problem is questioned.

Questo lavoro presenta i risultati di una campagna sperimentale per alla caratterizzazione di un flusso bifase aria-acqua in tubi orizzontali in presenza di tensioattivi, con conseguente generazione di schiuma. L'obiettivo è verificare se l'uso di tensioattivi possa ridurre efficacemente il liquid loading in condotte orizzontali per il trasporto di gas naturale dal pozzo di produzione al primo centro di raccolta; l’analisi si è concentrata sull'intervallo di basse velocità superficiali del gas (0.41 – 2.30 m/s), che un lavoro precedente ha rivelato essere il più promettente in tal senso. In primo luogo, è stato studiato il flusso di aria-acqua senza tensioattivo: sono state misurate cadute di pressione e l’holdup di liquido per fissare il quadro di riferimento. I risultati sono stati confrontati con i modelli a due fluidi di Taitel e Dukler e di Ullmann e Brauner: entrambi sovrastimano ampiamente la caduta di pressione e dell’holdup alle basse velocità superficiali del gas, pertanto i risultati sono stati utilizzati per ottenere una correlazione empirica per lo sforzo di taglio all’interfaccia. Quindi, è stato studiato il flusso di aria-liquido-schiuma: sono stati osservati due principali regimi di moto: un regime a plug alle basse velocità del gas e un regime stratificato-ondoso a velocità più elevate; la transizione avviene nell'intervallo JG = 0.55 - 0.91 m/s. Le perdite di carico e la foam quality sono misurate nell'intero range considerato, mentre è stato possibile misurare il liquid loading solo in condizioni di flusso stratificato, grazie ad un metodo ottico sviluppato appositamente. È stato osservato un aumento relativo delle perdite di carico compreso fra 570, a basse JG, e 11, ad alte JG, e una riduzione del liquid loading fino al 40%. La frazione di vuoto sembra essere ben descritta dal modello di Zuber e Findlay, ma poiché la velocità di deriva risulta negativa, la sua capacità di descrivere correttamente il problema viene messa in dubbio.