Vertical two-phase flow part I. Flow pattern correlations

Authors


Abstract

Two-phase gas-liquid flow has been investigated in a 1-inch internal diameter vertical tube coil containing two risers and a downcomer all connected by “U” bends. Flow pattern data were obtained in the three vertical tubes, each 17.30 ft. long, for five different air-liquid systems at about 25 psia over flow ranges of 0–700 lbm air/min-ft2 and 140–25300 lbm liquid/min-ft2. Liquid phase viscosities ranged from 1 to 12 cp.

A flow pattern classification with six regimes including coring-bubble, bubbly-slug, falling film, falling bubbly-film, froth and annular flow regimes was established for downflow. Flow patterns in the bends were also classified.

Data from the present investigation were used to formulate an empirical flow pattern graphical correlation for both upflow and downflow which is based upon the coordinates (Rv)1/2 and FrTP/A, where Rv is the delivered gas-to-liquid volume ratio, FrTP is the mixture Froude number, and A = μs/(SLσs3)1/4 in which μs, SL, σs are specific viscosity, specific density and specific surface tension respectively of the liquid with reference to water. The correlation was satisfactorily tested with independent literature data for upflow systems, including air-water, steam-water at various pressures, nitrogen-mercury and air-heptane, and data from flowing gas-oil wells. No independent literature data appear to be available for testing the correlation for downflow systems, but it is anticipated that the correlation will prove to be generally applicable.

The coring phenomenon in downward bubble flow was examined by means of high speed motion photography and is explained by the development of a lift force on a bubble.

Abstract

On a étudié un écoulement à deux phases (gaz et liquide) dans un serpentin contenant trois tubes verticaux de 1″ de diamètre (deux ascendants et un descendant) que des coudes en U raccordaient ensemble. On a obtenu des renseignements sur la forme de l'écoulement dans les trois tubes verticaux (de 17.30 pieds de longueur chacun) dans le cas de 5 systèmes air-liquide différents, à une pression absolue de 25 lbs au pouce carré et pour des échelles d'écoulement de 0 à 100 lbSm d'air à la minute par pied carré et de 140 à 25,300 lbsm de liquide à la minute par pied carré. Les viscosités de la phase liquide variaient entre - et 12 centipoises.

On a réparti la forme de l'écoulement descendant en 6 catégories, à savoir: (a) bulles de noyautage; (b) gouttes pleines de bulles; (c) pellicule à bulles tombantes; (d) écume; (e) buées annulaires. On a aussi classifié la forme de l'écoulement dans les coudes.

On a utilisé les renseignements obtenus dans l'étude actuelle pour formuler une corrélation graphique d'une forme d'écoulement empirique ascendant et descendant, laquelle est basèe sur les coordonnées (Rv) 1/2 et FrTP/A, où Rv est la fraction entre les volumes de gaz et de liquide libérés, FrTP est le nombre Froude du mélange et A = μs/(SL σ S3) 1/4. (us, SL et Os désignent respectivement la viscosité spécifique, la densité spécifique et la tension superficielle spécifique du lique par rapport à l'eau).

On a vérifié l'exactitude de la corrélation d'une manière satisfaisante, au moyen de renseignements indépendants qu'on a publiés dans des travaux sur les systèmes ascendants, embrassant l'air et l'eau, la vapeur et l'eau à différentes pressions, l'azote et le mercure, l'air et l'heptane, ainsi qu'au moyen de données provenant des puits de gaz et d'huile qui coulent naturellement. Il ne semble y avoir aucune information indépendante disponible pour vérifier la corrélation dans le cas des systèmes d'écoulement descendant, mais il y a lieu de penser que ladite corrélation s'avérera d'application générale.

On a examiné, par ciné-photographie à grande vitesse, le phénomène de noyautage (coring) dans l'écoulement descendant de bulles et on l'explique par la production d'une force de soulèvement sur une bulle.

Ancillary