Fluid dynamics characterization of single-phase and multi-phase flows in a pipeline equipped with Kenics-type elements

Abstract

[ES] Este proyecto de tesis tiene como objetivo el estudio de flujos monofásicos y multifásicos en una tubería equipada con elementos estáticos, centrándose específicamente en los elementos tipo Kenics. Su diseño consta de un plano retorcido 180° ensamblado con diferentes configuraciones, cambiando el número y orientación de los elementos. El estudio pretende contribuir al conocimiento existente sobre los elementos estáticos, dadas sus ventajas y aplicaciones extendidas en la industria química y de procesos. Optar por elementos estáticos puede proporcionar una solución de alta eficiencia y bajo costo para mezclar o separar fases dentro de líneas de transporte. Se utilizó Velocimetría de Imagen de Partículas (PIV) para medir el campo de velocidad del flujo monofásico turbulento completamente desarrollado. El experimento comenzó con una tubería horizontal donde el escenario monofásico se analizó más detalladamente mediante Tomografía de Resistencia Eléctrica (ERT), observando la distribución de un trazador en varios planos de sección transversal a lo largo de la tubería. Además, se utilizó un transductor de presión diferencial para medir la caída de presión a través de los elementos estáticos. En los experimentos de flujo bifásico, la tubería se orientó verticalmente, donde se investigó el flujo ascendente de aire y agua. Con la ayuda de una cámara de alta velocidad y la técnica ERT mencionada anteriormente, se evaluó la distribución de la fracción volumétrica de gas aguas arriba y aguas abajo de los elementos estáticos, evaluando así la idoneidad de la configuración del elemento seleccionado para la separación gas-líquido. Finalmente, la combinación de técnicas ópticas y tomográficas ha permitido seleccionar el algoritmo de reconstrucción más fiable para aplicar en el tratamiento de datos de ERT. Además, el resultado del proyecto ayudará a conocer las principales características globales y locales del flujo y servirá como punto de referencia para la validación de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) realizadas en una investigación paralela

[EN] This thesis project is aimed at studying single-phase and multi-phase flows in a pipeline equipped with static elements, focused specifically on the Kenics-type elements. Its design consists of a flat plane twisted 180°, assembled with different configurations by changing the number and orientation of the elements. The study intends to contribute to the existing knowledge about static elements, given their advantages and extended applications in the chemical and process industry. Opting for these static elements can provide a high-efficiency and low-cost solution when trying to achieve mixing or separation inside transport pipelines. Particle Image Velocimetry (PIV) was used to measure the velocity field of the fully developed turbulent single-phase flow. The experiment started with a horizontal pipe where the single-phase scenario was further analysed using Electrical Resistance Tomography (ERT), observing the distribution of a tracer in various cross-sectional planes along the pipe. Additionally, a differential pressure transducer was used to measure the pressure drop across the static elements. In the two-phase flow experiments, the pipeline was orientated vertically, where the ascendant flow of air and water was investigated. With the aid of a high-speed camera and the previously mentioned ERT technique, the gas volume fraction distribution was evaluated upstream and downstream of the static elements, thus assessing the suitability of the selected element configuration for gas-liquid separation. Finally, the combination of optical and tomographic techniques has allowed the selection of the most reliable reconstruction algorithm to be applied for the ERT data treatment. Moreover, the outcome of the project will help gain insight into the main global and local characteristics of the flow and will serve as a benchmark for the validation of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations carried out in a parallel investigation.