BR102013009197B1 - prato distribuidor para coluna de troca de calor e/ou de matéria, coluna de colocação em contato gás/líquido offshore e método de produção do referido prato - Google Patents
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Abstract
PRATO DISTRIBUIDOR PARA COLUNA DE CONTATO GÁS/LÍQUIDO OFFSHORE. A presente invenção referese a um prato distribuidor para coluna (1) de troca de calor e/ou de matéria entre um gás (G) e um líquido (L), comportando pelo menos um meio de passagem desse gás através desse prato (2), esse meio sendo formado de pelo menos uma parede (4), caracterizado pelo fato de essa parede (4) definir sobre a superfície desse prato (2) dos compartimentos (8) de superfícies sensivelmente idênticos, e cada compartimento compreende pelo menos um meio (5) para a passagem desse líquido através desse prato (2). A invenção refere-se também a uma coluna de colocação em contato gás/líquido, uma unidade de tratamento de gás, uma unidade de captação de C02, uma unidade de destilação, uma barca flutuante offshore compreendendo esse prato distribuidor. A invenção refere-se, além disso, um processo de fabricação desse prato.
Description
[001] A presente invenção refere-se ao domínio das colunas de contato gás/líquido offshore, e mais particularmente as unidades offshore de tratamento de gás, de captação do CO2, de desidratação ou ainda de destilação.
[002] As unidades offshores de tratamento de gás e/ou de captação do CO2 por lavagem das aminas compreendem colunas de absorção e de regeneração de fluidos, líquido ou gasoso. Estas funcionam em escoamento gás/líquido à contracorrente ou a cocorrente e são instaladas sobre navios, barcaças flutuantes ou plataformas offshore, por exemplo, de tipo FPSO (do inglês Floating Production, Storage and Offloading, que significa plataforma de produção de estocagem e de descarregamento), ou do tipo FLNG (do inglês, Floating Liquified Natural Gas que significa plataforma de gás natural liquefeito). Sobre as barcaças flutuantes, são instaladas também colunas de destilação ou das colunas de desidratação.
[003] As colunas utilizadas nessas unidades offshores de tratamento de gás e/ou de captura de CO2 e/ou de destilação e/ou de desidratação funcionam geralmente sobre o princípio de uma troca de matéria e/ou de calor entre o gás e o fluido que circulam nas colunas. A Figura 1 representa um caso particular de uma coluna de tratamento de gás (1) equipada com um prato distribuidor em cabeça de coluna. Classicamente, essa coluna de tratamento de gás (1) comporta vários seções (3) cheias por um contactor, um prato distribuidor (2) é disposto acima de cada seção (3). O contactor gás/líquido coloca em contato o gás (G) e o líquido (L) a fim de permitir as trocas.
[004] Os distribuidores padrões (2) utilizados nas colunas de absorção/regeneração ou ainda de destilação são geralmente constituídos de um prato coletor/distribuidor equipado com chaminés (4) (cf. Figura 2). A distribuição do líquido é feita pela passagem do líquido nesses orifícios (5) posicionados sobre a base do prato (2) e a distribuição do gás se faz pelas chaminés (4). Cada chaminé (4) permite a passagem do gás, segundo o modo de funcionamento contracorrente ou cocorrente, da parte baixa da coluna em direção à parte alta da coluna (1) ou da parte alta em direção à parte baixa. As chaminés (4) estão em ressalto em um lado do prato (2) e são perpendiculares a este. Cada chaminé (4) é formada de várias paredes, por exemplo, paralelepipédicas ou cilíndricas que delimitam um volume interno que é aberto de ambos os lados do prato (2). Para evitar que o líquido passe nas chaminés (4), a abertura de escapamento ou entrada do gás acima do prato (segundo o modo de funcionamento à contracorrente ou à cocorrente), é preferencialmente ortogonal à direção longitudinal da chaminé (4). O objetivo do prato distribuidor é de distribuir o líquido (L) de maneira homogênea sobre o contactor gás/líquido (3).
[005] Os pratos equipados de chaminés podem ser de diferentes tipos, e posicionadas segundo diferentes configurações. Diferentes variantes de pratos distribuidores são expostas notadamente nos pedidos de patente e patentes a seguir: US6338774B, US2004020238A, US6149136A e US5752538A.
[006] As colunas de contato gás/líquido consideradas são colocadas sobre essas estruturas flutuantes, por exemplo, de tipo navio, plataforma ou ainda barcaça, sensíveis à onda. Dessa forma, os equipamentos instalados sobre essas unidades e notadamente os pratos distribuidores gás/líquido sofrem movimentos de ondas com até seis graus de liberdade (“oscilação transversal, arfagem, balanço, batida, balanço, impulso).
[007] A título indicativo, o ângulo associado à combinação das oscilações de arfagem e de balanço é da ordem de +/- 5° com um período que vai de 15 a 20 segundos. As ordens de grandeza das acelerações longitudinal, transversal e vertical encontradas na coluna variam respectivamente entre 0,2/0,7/0,2 m/s2 a 6 m acima da ponte sobre a qual é disposta a coluna e 0,3/1,2/0,3 m/s2 a 50 m acima da ponte.
[008] Nessas condições, o funcionamento dos pratos distribuidores clássicos equipados com chaminés (figura 2) pode ser fortemente perturbado. Com efeito, o funcionamento desses distribuidores é principalmente gravitário, uma proteção de líquido de altura homogênea “h” deve se estabelecida sobre o prato distribuidor. O quadrado da velocidade de passagem do líquido pelos orifícios (5) situados embaixo do prato (2) é proporcional à altura da proteção líquido (UL2α gh). Quando o prato (2) é inclinado sob o efeito da onda (figura 3), a altura da proteção líquida não é mais uniforme sobre o prato distribuidor (h1 > h2) o que provoca um desequilíbrio na distribuição do líquido na entrada do contactor gás/líquido (3). A qualidade de distribuição e, portanto, a eficácia da coluna é muito impactada. Essa má distribuição, se não for controlada, pode sensivelmente degradar os desempenhos da coluna. Seria preciso uma proteção de líquido importante (aproximadamente 0,6 m) para compensar esses efeitos, o que significam um aumento do volume ou do peso, o que não convém para unidades offshore.
[009] A fim de evitar esse tipo de problemas, elementos de distribuição pouco sensíveis aos defeitos de horizontalidade foram utilizados. Esses distribuidores são geralmente constituídos de um coletor e de um distribuidor por uns vários condutos verticais relativamente longos para que o distribuidor permaneça em carga, independentemente das condições de onda encontradas. Esses distribuidores são geralmente pouco sensíveis aos efeitos e geram uma boa qualidade de distribuição, mas são muito volumosos: sua altura pode ser de vários metros em determinados casos (US2004020238A).
[0010] Uma outra solução para esses problemas é descrita nas patentes FR 2771018 A e FR 2771019 A, ela consiste em utilizar dois distribuidores (primário e secundário). Cada distribuidor é dividido em vários compartimentos nos quais se reparte o líquido. Graças a esses compartimentos, o líquido é melhor repartido, quando da inclinação da coluna. Todavia, essa solução contínua grande, pois ela necessita de dois distribuidores. Além disso, os compartimentos não se comunicam juntos, a repartição do líquido nos compartimentos não é equilibrada.
[0011] A patente Norte-americana 5.132.055 divulga um prato distribuidor no qual as chaminés permitem compartimentar a zona de escoamento do líquido. Esse prato distribuidor é ilustrado na Figura 4. Segundo esse documento, as chaminés são então todas paralelas. Os compartimentos possuem, portanto, todos uma superfície diferente. Além disso, o paralelismo das chaminés não permitem assegurar uma boa distribuição e uma boa repartição do líquido sobre o conjunto do prato. Com efeito, quando a inclinação do prato é paralela a essas chaminés, a altura da proteção de líquido varia de maneira importante entre as duas extremidades do prato.
[0012] A invenção se refere a um prato distribuidor que comporta meios de passagem do gás e meios de passagem do líquido os meios de passagem de gás sendo repartidos de tal forma que formam compartimentos, de maneira a diminuir a variação da altura da proteção de líquido sobre o efeito da onda, a fim de garantir uma boa distribuição e uma boa repartição do líquido sobre o conjunto do prato.
[0013] A invenção se refere a um prato distribuidor para coluna de troca de calor e/ou de matéria entre um gás (G) e um líquido (L) compreendendo pelo menos um meio para a passagem desse gás através desse prato, esse meio sendo formada de pelo menos uma parede. A parede define sobre a superfície desse prato compartimentos de superfícies sensivelmente idênticas, e cada compartimento compreende pelo menos um meio para a passagem desse líquido através desse prato.
[0014] De acordo com a invenção, esses meios para a passagem desse gás são constituídos de pelo menos uma chaminé em ressalto de uma altura H sobre uma das superfícies desse prato.
[0015] De acordo com a invenção, esse prato comporta vários meios de passagem do gás, esses meios de passagem do gás sendo espaçados, para permitir o escoamento de uma parte do líquido entre os compartimentos.
[0016] Vantajosamente, esse prato comporta vários meios de passagem do gás, esses meios de passagem do gás sendo idênticos.
[0017] De acordo com um modo de realização, esse prato é circular, e no qual um primeiro grupo desses meios de passagem do gás é orientado conforme um primeiro diâmetro desse prato.
[0018] De acordo com um modo de realização, um segundo grupo desses meios de passagem do gás é orientado conforme um segundo diâmetro desse prato, o segundo diâmetro sendo sensivelmente perpendicular ao primeiro diâmetro.
[0019] De acordo com um modo de realização, esse prato é circular, e no qual um terceiro grupo desses meios de passagem do gás é orientado de maneira a sensivelmente formar um círculo concêntrico com o prato.
[0020] De acordo com um modo de realização, um quarto grupo desses meios de passagem do gás é orientado de maneira a dividir em duas partes idênticas, os compartimentos externos formados pelo primeiro, pelo segundo e pelo terceiro grupos desses meios de passagem do gás.
[0021] De preferência, as dimensões são definidas da seguinte maneira: a) o comprimento L1 entre dois meios de passagens do gás consecutivos do terceiro grupo está compreendido entre 0 e 200 mm preferencialmente entre 0 e 100 mm; b) o comprimento L2 entre um meio de passagem do gás (4) do terceiro grupo e um meio de passagem do gás externo estar compreendido entre 0 e 200 mm, preferencialmente entre 0 e 100 mm; c) o comprimento L3 entre a borda do prato e os meios de passagem do gás externos estar compreendido entre 0 e 200 mm preferencialmente entre 0 e 100 mm; d) o comprimento de um compartimento Z está compreendido entre 20 e 2000 mm e é preferencialmente inferior a 50/2tan θ (mm), θ sendo o ângulo de inclinação máximo do prato imposto.
[0022] De maneira vantajosa, os meios de passagem do gás são paralelepipédicos.
[0023] Como variante, os meios de passagem do líquido são chaminés equipadas com pelo menos uma perfuração, essas chaminés estando em ressalto sobre uma das superfícies desse prato.
[0024] Além disso, a invenção se refere a uma coluna de colocação em contato de um fluido gás/líquido offshore, na qual dois fluidos são colocados em contato por meio de pelo menos um contactor gás/líquido, essa coluna compreendendo pelo menos uma primeira entrada de um fluido líquido, pelo menos uma segunda entrada de um fluido gasoso, pelo menos uma primeira saída de um fluido gasoso e pelo menos uma segunda saída de um fluido líquido. A coluna comporta um prato distribuidor, tal como definido anteriormente, para permitir a distribuição dos fluidos sobre esse contactor.
[0025] Além disso, a invenção se refere a uma unidade de tratamento de gás/líquido de captação do CO2 por lavagem do gás por meio de uma solução absorvente, notadamente contendo aminas. A unidade comporta pelo menos uma coluna, de acordo com a invenção, para permitir as trocas entre o gás e a solução absorvente.
[0026] A invenção se refere também a uma unidade de destilação e/ou de desidratação de um gás, comportando pelo menos uma coluna (1), tal como definida anteriormente, para permitir as trocas entre o gás e um líquido.
[0027] A invenção se refere também a uma barcaça flutuante offshore, notadamente para recuperação de hidrocarbonetos, caracterizada pelo fato de compreender uma unidade de tratamento de gás e/ou de captação de CO2, de acordo com a invenção, ou uma unidade de destilação e/ou de desidratação, de acordo com a invenção, para limpar gases produzidos.
[0028] A invenção se refere também a um processo de fabricação de um prato, tal como descrito anteriormente, no qual se realizam as etapas seguintes: a) define-se um índice IQ de desequilíbrio desse prato:
com ULI, UL2 as velocidades do líquido saindo do prato em duas extremidades diametralmente opostas do prato; b) escolhe-se um índice de desequilíbrio máximo desse prato (2) e um ângulo de inclinação θ máxima do prato em relação à horizontal; c) determinam-se os espaçamentos (L1, L2, L3, Z) entre esses meios de passagem do gás permitindo segundo obter esse índice de desequilíbrio máximo; e d) posicionam-se essas divisórias, respeitando os espaçamentos.
[0029] Outras características e vantagens do processo, de acordo com a invenção, aparecerão com a leitura da descrição a seguir de exemplos não-limitativos de realizações, com referência às Figuras anexadas e descritas a seguir.
[0030] A Figura 1, já descrita, ilustra o caso particular, de uma coluna de tratamento de gás ou de captura de CO2 equipado com um prato distribuidor na cabeça de coluna.
[0031] A Figura 2, já descrita, ilustra um prato distribuidor, de acordo com a técnica anterior.
[0032] A Figura 3, já descrita, ilustra um prato distribuidor, inclinado segundo a técnica anterior.
[0033] A Figura 4, já descrita, ilustra um prato distribuidor, de acordo com a invenção.
[0034] A Figura 5 ilustra as divisórias do prato distribuidor, de acordo com um modo de realização da invenção.
[0035] A Figura 6 ilustra uma vista de topo de um prato distribuidor, segundo o modo de realização da Figura 5.
[0036] As Figuras 7a) a 7c) ilustram a evolução da proteção de líquido para três posições angulares (0, 5° e -5°) de um prato clássico, de acordo com a técnica anterior da Figura 2.
[0037] As Figuras 8a) a 8c) ilustram a evolução da proteção de líquido para três posições angulares (0, 5° e -5°) de um prato específico, de acordo com a técnica anterior da Figura 4.
[0038] As Figuras 9a) a 9c) ilustram a evolução da proteção de líquido para três posições angulares (0, 5° e -5°) do prato, de acordo com o modo de realização da Figura 5.
[0039] A Figura 10 representa uma curva comparativa entre a invenção e a técnica anterior.
[0040] A Figura 11 ilustra o prato distribuidor da invenção inclinado.
[0041] A Figura 12 ilustra um segundo modo de realização da invenção.
[0042] As Figuras 5 e 6 ilustram um prato distribuidor, de acordo com a invenção.
[0043] A invenção se refere a um prato distribuidor para coluna (1) de troca de calor e/ou de matéria entre um gás (G) e um líquido (L), compreendendo classicamente pelo menos um meio para a passagem de gás (por exemplo, uma chaminé) (4), para a passagem desse gás de um lado ao outro desse prato, e pelo menos um meio de passagem do líquido (por exemplo, um orifício) (5) para a passagem desse líquido de um lado a outro desse prato (2).
[0044] De acordo com a invenção, as chaminés (4) são repartidas de tal modo que suas paredes paralelepipédicas ou cilíndricas delimitam compartimentos (8) sobre a superfície do prato (2). As chaminés geram, portanto, compartimentos (8) de líquido, e servem de “barreira” quando o prato é inclinado, assim se mantém uma proteção de líquida relativamente homogênea mesmo quando de inclinação importante. Assim, uma boa qualidade de distribuição do líquido sobre o contactor gás/líquido é garantida. Denomina-se, proteção de líquido, a interface entre gás e o líquido. A altura da proteção de líquido corresponde ao nível do líquido em relação à superfície superior do prato. Além disso, denomina-se zona de escoamento do líquido a zona sobre a qual circula o líquido: trata-se do lado superior do prato, sobre o qual as chaminés estão em ressalto. De acordo com a invenção, as superfícies dos compartimentos (8) são sensivelmente idênticas (com as variações de mais ou menos 10%) para assegurar uma boa repartição e uma boa distribuição de líquido.
[0045] Além disso, as chaminés (4) são espaçadas, e graças a esses espaçamentos o líquido pode escoar sobre a totalidade da superfície do prato distribuidor (2), assegurando assim uma boa dispersão radial do líquido. Dimensionam-se os comprimentos (por exemplo, L1, L2,L3 e Z) desses espaçamentos, de maneira a assegurar uma boa repartição e uma distribuição do líquido. De preferência, cada compartimento (8) e espaçamento comportando vários orifícios (5).
[0046] De acordo com um modo de realização da invenção, as chaminés (4) são paralelepipédicas o que facilita sua instalação e sua fabricação. De maneira vantajosa, as chaminés são todas idênticas. Os orifícios (5) que equipam o prato (2) podem ter um passo de repartição triangular ou quadrado. Vantajosamente, o prato (2) comporta um número de orifícios (5) superior ao número de chaminés (4). Além disso, os orifícios (5) podem ser de mesmo tamanho ou de tamanhos diferentes. Cada compartimento (8) comporta pelo menos um orifício (5).
[0047] A Figura 6 ilustra uma vista de topo de um modo de realização preferencial do local das chaminés. Nessa Figura os orifícios (5) não estão representados.
[0048] De maneira preferencial, as chaminés têm uma altura sensivelmente idêntica às chaminés clássicas da técnica anterior, assim o volume vertical do prato distribuidor não é modificado pela invenção. Classicamente, o prato distribuidor é circular.
[0049] Segundo modos de realização específicos da invenção, as chaminés são repartidas, conforme as seguintes implantações consideradas sozinhas ou em combinação: - um primeiro grupo de chaminés é orientado conforme um primeiro diâmetro do prato, dividindo a zona de escoamento do líquido em dois semidiscos. De acordo com um modo de realização, esse primeiro grupo de chaminés é constituído de quatro chaminés; - um segundo grupo de chaminés é orientado conforme um segundo diâmetro do prato, dividindo assim a zona de escoamento do líquido em dois semidiscos. De preferência, o segundo diâmetro é perpendicular ao primeiro diâmetro para formar quatro partes de discos idênticas. De acordo com um modo de realização, esse segundo grupo de chaminés é constituída de quatro chaminés; - um terceiro grupo de chaminés é orientado de maneira a formar sensivelmente um círculo concêntrico ao prato. Esse círculo divide, portanto, a zona de escoamento em duas zonas: uma primeira dita interna e uma segunda dita externa. Segundo um modo de realização, o terceiro grupo é constituído de oito chaminés. O espaçamento entre duas chaminés consecutivas do terceiro grupo é anotado com L1.
[0050] Anota-se com Z a distância entre a borda do prato e as chaminés do terceiro grupo; - um quarto grupo de chaminés é orientado de maneira a dividir em duas partes sensivelmente iguais, os compartimentos externos formados pelo primeiro, pelo segundo e pelo terceiro grupo. De acordo com um modo de realização, essas chaminés são orientadas segundo um ângulo de 45° em relação às chaminés do primeiro e do segundo grupo. Além disso, o quarto grupo é constituído de quatro chaminés. O espaçamento entre uma chaminé do quarto grupo e uma chaminé do terceiro grupo é anotado L2. O espaçamento entre a borda do prato e as chaminés externas é anotado L3.
[0051] Para esse modo de realização, as distâncias Z, L1, L2, L3, podem ser escolhidas, de maneira a otimizar o escoamento do líquido sobre a totalidade da zona de escoamento do líquido para assegurar uma boa distribuição do líquido; um espaçamento muito importante das chaminés acarreta um desequilíbrio da altura de proteção permanecendo inferior ao desequilíbrio existente entre a solução clássica da técnica anterior, enquanto que um espaçamento muito pequeno reduz o escoamento do líquido e pode prejudicar a repartição do líquido sobre o prato.
[0052] Todavia, outras configurações das chaminés (4) são consideráveis (por exemplo, tal como representado na Figura 12). O número de chaminés (4) utilizadas assim como a configuração escolhida depende do diâmetro do prato. Com efeito, de preferência, o número de compartimentos é mais importante sobre um prato de maior diâmetro do que sobre um prato de menor diâmetro.
[0053] Para caracterizar a sensibilidade do prato no meio marinho, um índice de desequilíbrio é geralmente definido pela seguinte relação
[0054] Com: UL1,2: A velocidade do líquido que sai dos orifícios situados nas extremidades do prato distribuidor conforme apresentado nas Figuras 3 (técnica anterior) e 11 (de acordo com a invenção). Um pequeno valor de índice de desequilíbrio (IQ) indica uma boa distribuição do líquido. Ao contrário, um valor elevado de IQ indica um forte desequilíbrio de distribuição e uma forte sensibilidade ao movimento de onda do prato.
[0055] A distância característica Z do prato deve ser otimizada, de maneira a minimizar um índice de desequilíbrio. Em função das características do prato e das condições de funcionamento: isto é, o ângulo máximo de inclinação θ do prato em relação à horizontal imposto pelo meio marinho, é possível definir um comprimento ótimo de Z com a combinação das seguintes formulações:
[0056] com:
[0057] Cf: o coeficiente de atrito no orifício;
[0058] h0: altura no equilíbrio (θ = 0°) da proteção de líquido em um compartimento do distribuidor.
[0059] hmax: a altura máxima de proteção de líquido em um compartimento do prato do distribuidor;
[0060] hmin: a altura mínima da proteção de líquido em um compartimento do prato do distribuidor;
[0061] UL1, UL2: velocidade do líquido no orifício; e
[0062] o sinal α significa proporcional à.
[0063] É, portanto, possível determinar um comprimento Z em função da geometria do prato e das condições marinhas para respeitar um índice de desequilíbrio determinado. Por exemplo, para ter um índice de desequilíbrio IQ < 10%, é preciso que Δ h < 50 mm dessa forma Z deve ser inferior a:
[0064] Alternativamente, a fim de otimizar a repartição do líquido entre os compartimentos (8), pode-se garantir um escoamento mínimo, mas guardando um volume de líquido homogêneo sobre a totalidade do prato impondo comprimentos compreendidos entre 0 e 200 mm, mais preferencialmente entre 0 e 100 mm, para os diferentes espaçamentos. Por modo de realização, ilustrado na Figura 5, pode-se escolher a seguinte configuração: a) o comprimento L1 entre duas chaminés (4) consecutivas do terceiro grupo está compreendido entre 0 e 200 mm; b) o comprimento L2 entre uma chaminé (4) do terceiro grupo e uma chaminé (4) externa está compreendido entre 0 e 200 mm; c) o comprimento L3 entre a borda do prato e as chaminés externas está compreendido entre 0 e 200 mm; d) o comprimento de um compartimento Z depende do diâmetro do prato e das condições marinhas encontradas. O comprimento Z está compreendido entre 20 e 2000 mm e é preferencialmente inferior a
com θ o ângulo de inclinação máximo do prato imposto pelo meio marinho.
[0065] Um dos comprimentos (L1, L2 e L3) pode ser nulo, todavia, nesse caso, os dois outros espaçamentos devem ser suficientes para a circulação do líquido.
[0066] Como variante do modo de realização preferencial da invenção, podem-se modificar as seguintes características: - os compartimentos têm sensivelmente uma forma triangular; - os compartimentos têm sensivelmente uma forma hexagonal (por exemplo, do tipo alvéolo de colmeia); - os compartimentos têm sensivelmente uma forma retangular, as chaminés sendo perpendiculares (figura 12); - as chaminés têm uma base quadrada e justapõem-se várias chaminés para formar paredes que delimitam os compartimentos. - os meios de passagem do líquido (5) são chaminés equipadas com pelo menos uma perfuração (ou pelo menos uma fileira de perfurações), as chaminés estão em ressalto sobre uma das superfícies desse prato (2).
[0067] A invenção se refere também a uma coluna offshore (1) de absorção ou de regeneração de um fluido, na qual dois fluidos são colocados em contato por meio de contactor gás/líquido (3), essa coluna (1) compreendendo pelo menos uma primeira entrada de um fluido líquido, pelo menos uma segunda entrada de um fluido gasoso, pelo menos uma primeira saída de um fluido gasoso e pelo menos uma segunda saída de um fluido líquido. A coluna (1) comporta, além disso, um prato distribuidor (2) tal como descrito acima, para permitir a distribuição dos fluidos sobre esse contactor (3).
[0068] De maneira vantajosa, o contactor gás/líquido (3) é uma camada de guarnição estruturada ou a granel. O prato distribuidor (2) pode ser associado com um sistema de dispersão disposto sob o prato distribuidor, esse sistema de dispersão pode ser um conjunto de irrigadores ou de conjuntos perfurados dispostos em paralelo sob o prato distribuidor. Esse sistema de dispersão assegura uma boa dispersão do líquido no contactor gás/líquido.
[0069] O prato, de acordo com a invenção, é também adaptado às colunas de destilação e às colunas de desidratação.
[0070] Além disso, a invenção se refere a uma unidade de tratamento de gás e/ou de captação do CO2 por lavagem do gás por meio de uma solução absorvente, contendo, por exemplo, aminas. A unidade comporta pelo menos uma coluna (1) tal como definida acima, para permitir as trocas entre o gás e a solução absorvente, e principalmente entre o gás e as aminas que podem ser contidas nessa solução.
[0071] Enfim, a invenção se refere a uma barcaça flutuante offshore de tipo FPSO ou FLNG, notadamente para a produção e o tratamento de hidrocarbonetos. A barcaça compreende uma unidade de tratamento de gás e/ou de captação de CO2 tal como descrita acima, para limpar gases produzidos.
[0072] O prato, de acordo com a invenção, é também adaptado às colunas de destilação e ás colunas de desidratação.
[0073] De acordo com um modo de realização, as dimensões do prato e de seus componentes verificam os seguintes intervalos: - o prato de distribuição (2) tem uma altura compreendida entre 100 e 2000 mm, de preferência, entre 600 e 1000 mm; - o diâmetro do prato (2) está compreendido entre 400 e 5000 mm; - o comprimento das chaminés (4) está compreendido entre 50 e 1200 mm, de preferência, entre 50 e 700 mm; - a altura das chaminés (4) está compreendida entre 300 e 1000 mm, de preferência, entre 400 e 700 mm; - as distâncias L1, L2, L3 estão compreendidas entre 0 e 200 mm, de preferência, entre 0 e 100 mm.
[0074] Além disso, a invenção se refere a um processo de fabricação de um prato distribuidor tal como descrito anteriormente, no qual se realizam as seguintes etapas: a) escolhe-se previamente uma configuração de chaminés (4) sobre esse prato (2) determinando-se um número de chaminés utilizadas e a maneira de implantar: por exemplo, segundo o modo de realização da Figura 5; b) define-se um índice IQ de desequilíbrio desse prato (2);
com ULI, UL2 as velocidades do líquido que sai do prato em duas extremidades diametralmente opostas do prato (figura 11); c) escolhe-se um índice de desequilíbrio máximo desse prato (2) e um ângulo de inclinação θ máximo desse prato em relação à horizontal: fixar-se-á um índice de desequilíbrio em função dos limites de funcionamento (por exemplo, ligados à onda) de utilização da coluna; d) determinam-se espaçamentos (L1, L2, L3, Z) entre esses meios de passagem do gás (4) permitindo obter esse índice de desequilíbrio máximo; e e) posicionam-se essas divisórias respeitando os espaçamentos.
[0075] Para ilustrar as vantagens de nossa invenção, propõe-se comparar os resultados obtidos pela invenção (figura 5) com aqueles obtidos por um prato distribuidor “clássico” (figura 2) e àqueles obtidos por um prato distribuidor, tal como descrito no pedido de patente US 5.132.055 (figura 4). Nesse âmbito, utiliza-se uma abordagem numérica de tipo CFD (do inglês Computational Fluid Dynamics podendo ser traduzido por mecânica dos fluidos numéricos) que consiste em estudar os movimentos de um fluido, ou seus efeitos, pela resolução numérica das equações que regem esse fluido.
[0076] A abordagem numérica utilizada é de tipo seguido de interface (VOF por Volume of Fluid: volume de fluido) descrito em Hirt & Nichols, JCP 39, 201-255 (1981). Esse método, bem conhecido pelo técnico, é bem adaptado para simular a mudança de topologia de interface encontrada no distribuidor submetido ao movimento da onda (destaque, colagem da interface, formação de diferente...). A evolução do escoamento difásico é descrita pelas equações de conservação da massa, de conservação de quantidade de movimento, e pela equação de transporte da taxa de presença.
[0077] Os cálculos foram feitos com o programa comercial Fluente 13® (ANSYS, Estados Unidos).
[0078] Para o conjunto dos cálculos CFP de avaliação apresentados a seguir, o ângulo associado ao movimento de balanço simulado é de +/- 5° com um período de 15 segundos. As propriedades dos fluidos são: pL= 1055 kg/m3, μL = 2,5 cp, pG = 55 kg/m3, μG = 0,013 cp. A altura da proteção de líquido sobre o distribuidor considerado é de 400 mm. Uma distância no ponto de giro da plataforma offshore de 50 m é considerada nos cálculos. Essa distância corresponde aos distribuidores situados na cabeça de coluna, expostos às mais fortes acelerações. Enfim, os efeitos capilares são supostos desprezíveis.
[0079] Lembra-se que a eficácia de distribuição do sistema proposto é comparada àquela de um prato distribuidor “clássico” (figura 2) e àquela de um prato distribuidor específico (figura 4) no caso em que o prato é submetido aos movimentos da onda. A sensibilidade ao meio marinho do prato é quantificado pelo índice de desequilíbrio definido pela equação (1).
[0080] Exemplo 1: Propriedades do prato padrão (técnica anterior da Figura 2) - Diâmetro do prato distribuidor: 4150 mm - Diâmetro das chaminés de gás: 350 mm - Altura das chaminés de gás: 700 mm - Passo triangular das chaminés de gás P: 200 mm - Distância na borda mínima das chaminés de gás: 100 mm - Número de chaminés: 19 - Porosidade do prato (superfície chaminés/superfície total): 13,5
[0081] Exemplo 2: Propriedades do prato da patente US 5.132.055 (figura 4): - Diâmetro do prato distribuidor (2): 4150 mm - Espessura das chaminés de gás (4): 70 mm - Altura das chaminés de gás (4): 700 mm - Passo entre as chaminés de gás (4): 200 mm - Distância na borda mínima das chaminés (4): 110 mm
[0082] Exemplo 3: Propriedades do prato, de acordo com a invenção (repartição das chaminés, segundo o modo de realização da Figura 5) - Diâmetro do prato distribuidor (2): 4150 mm - Altura das chaminés (4) de gás: 700 mm - Distância L1: 0 mm - Distância L2: 82 mm - Distância L3: 50 mm - Distância Z: 925 mm
[0083] As Figuras 7, 8 e 9 apresentam a evolução da proteção de líquido (interface gás/líquido) sobre o distribuidor, quando este é submetido aos movimentos marinhos, respectivamente para os exemplos 1, 2 e 3. Os resultados são oriundos de cálculos de tipo CFD dinâmico. As Figuras representam diferentes instantes correspondentes a diferentes posições extremas. As Figuras representam diferentes instantes correspondentes a diferentes posições extremas. As Figuras 7a), 8a) e 9a) representam os pratos em uma posição horizontal (θ = 0°), as Figuras 7b), 8b) e 9b) ilustram o prato em uma primeira posição extrema (θ = 5°) correspondendo a um movimento de onda, as Figuras 7c), 8c) e 9c) representam os pratos em uma segunda posição extrema oposta à primeira posição extrema (θ = -5°). A parte reta das Figuras 7, 8 e 9 ilustram a variação da altura da proteção de líquido em um plano que passa por um diâmetro do prato.
[0084] Os resultados indicam claramente que o prato distribuidor “clássico” é muito sensível aos efeitos de onda.
[0085] Para o dispositivo da invenção, ao contrário, os resultados mostram que a proteção líquida permanece bem homogênea sobre o prato distribuidor, apesar do movimento da onda, assegurando assim uma boa qualidade de distribuição.
[0086] Esses resultados são quantificados na Figura 10 que compara o índice de desequilíbrio obtido com os dois pratos distribuidores. Para o prato “clássico” (exemplo 1), o índice de desequilíbrio varia entre 0% e 200% sobre um período de oscilação do prato com um pico a 200% quando o ângulo de inclinação atinge seu máximo, a saber: 5°. Deve ser anotado que o valor de 200% indica que uma parte do prato distribuidor não está mais em contato com o líquido (cf. Figuras 7b) e 7c)). Em um período de 15 s a taxa de má distribuição média do distribuidor padrão é de 80%.
[0087] Quando a inclinação do prato descrito na patente US 5.132.055 (exemplo 2) é paralela às chaminés, o prato distribuidor continua muito sensível à onda, o índice de desequilíbrio varia também entre 0% e 200%. Em um período de 15 s a taxa de má distribuição média do prato distribuidor é de 73%, próximo dos 80% do prato “clássico”.
[0088] Ao contrário, o prato, de acordo com a invenção (exemplo e) apresenta desempenhos significativamente melhores. Com efeito, o índice de desequilíbrio varia entre 0% e 60%; não há, portanto, momento em que uma parte do prato seja secada e a taxa de má distribuição média para um período de 15 s é de 40%. Observa-se, que graças à repartição das chaminés, o índice de desequilíbrio permanece baixo qualquer que seja a direção de inclinação do prato distribuidor. Para chegar a resultados equivalentes ao sistema proposto com o prato “clássico”, seria preciso uma proteção de líquido de aproximadamente 650 mm de altura, o que tornaria este bem mais volumoso e mais pesado (peso do líquido) com chaminés de gás mais alto para evitar seu entupimento e notadamente mais caro que o sistema proposto. Esse exemplo mostra que a invenção permite um ganho significativo em volume e com eficácia de distribuição em meio flutuante.
Claims (14)
1. Prato distribuidor para coluna (1) de troca de calor e/ou de matéria entre um gás (G) e um líquido (L), comportando uma pluralidade de meios de passagem de gás permitindo a passagem desse gás através desse prato (2), esse meio sendo formado de pelo menos uma parede, caracterizado pelo fato de que essa parede define sobre a superfície desse prato (2) dos compartimentos (8) de superfícies sensivelmente idênticos, e cada compartimento compreende pelo menos um meio (5) para a passagem desse líquido através desse prato (2), esses meios para a passagem desse gás são constituídos de pelo menos uma chaminé (4) se projetando de uma altura H sobre uma das superfícies desse prato (2), e em que esses meios de passagem do gás (4) são espaçados, para permitir o escoamento de uma parte do líquido entre os compartimentos (8), e tal que o líquido possa escoar através de toda a superfície do prato distribuidor.
2. Prato, de acordo com precedentes reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que esse prato (2) comporta vários meios de passagem do gás (4), esses meios de passagem do gás (4) sendo idênticos.
3. Prato, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que esse prato é circular, e no qual um primeiro grupo desses meios de passagem do gás (4) é orientado conforme um primeiro diâmetro desse prato.
4. Prato, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de queum segundo grupo desses meios de passagem do gás (4) é orientado conforme um segundo diâmetro desse prato, o segundo diâmetro sendo sensivelmente perpendicular ao primeiro diâmetro.
5. Prato, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que esse prato é circular e no qual um terceiro grupo desses meios de passagem do gás (4) é orientado, de maneira a sensivelmente formar um círculo concêntrico com o prato.
6. Prato, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um quarto grupo desses meios de passagem do gás (4) é orientado de maneira a dividir em duas partes idênticas, os compartimentos (8) externos formados pelo primeiro, pelo segundo e pelo terceiro grupos desses meios de passagem do gás (4).
7. Prato, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as dimensões são definidas da seguinte maneira: a) o comprimento L1 entre dois meios de passagem do gás (4) consecutivos do terceiro grupo está compreendido entre 0 e 200 mm preferencialmente entre 0 e 100 mm; b) o comprimento L2 entre um meio de passagem do gás (4) do terceiro grupo e um meio de passagem do gás externo estar compreendido entre 0 e 200 mm preferencialmente entre 0 e 100 mm; c) o comprimento L3 entre a borda do prato e os meios de passagem do gás externos está compreendido entre 0 e 200 mm preferencialmente entre 0 e 100 mm; e d) o comprimento de um compartimento Z está compreendido entre 20 e 2000 mm e é preferencialmente inferior a 50/2 tan θ (mm), θ sendo o ângulo de inclinação máxima do prato.
8. Prato, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os meios de passagem do gás (4) são paralelepipédicos.
9. Prato, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que é um prato distribuidor offshore, e os meios de passagem do líquido (5) são chaminés equipadas com pelo menos uma perfuração, essas chaminés estando em ressalto sobre uma das superfícies desse prato (2).
10. Coluna de colocação em contato gás/líquido (3) offshore, na qual dois fluidos são colocados em contato por meio de um contactor gás/líquido (3), essa coluna compreendendo pelo menos uma primeira entrada de um fluido líquido, pelo menos uma segunda entrada de um fluido gasoso, pelo menos uma primeira saída de um fluido gasoso e pelo menos uma segunda saída de um fluido líquido, caracterizada pelo fato de que essa coluna (1) comporta um prato distribuidor (2), como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, para permitir a distribuição dos fluidos sobre esse contactor (3).
11. Coluna de colocação em contato gás/líquido (3) offshore de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que está instalada em uma unidade de tratamento de gás e/ou de captação do CO2 por lavagem do gás por meio de uma solução absorvente, notadamente contendo aminas, para permitir as trocas entre o gás e a solução absorvente.
12. Coluna de colocação em contato gás/líquido (3) offshore de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que está instalada em uma unidade de destilação e/ou de desidratação de um gás, para permitir as trocas entre o gás e um líquido.
13. Coluna de colocação em contato gás/líquido (3) offshore de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que está instalada em uma dentre uma unidade de destilação e/ou desidratação de gás e uma unidade de tratamento de gás e/ou de captação de CO2 por lavagem do gás por meio de uma solução absorvente, notadamente contendo aminas, em uma barcaça flutuante offshore, notadamente para a recuperação de hidrocarbonetos, para limpar gases produzidos.
14. Método de produção de um prato, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que são realizadas as seguintes etapas: a) definir um índice IQ de desequilíbrio desse prato
sendo UL1 e UL2 as velocidades dos líquidos que saem do prato em duas extremidades diametralmente opostas do prato; b) escolher um índice de desequilíbrio máximo de dito prato (2) e um ângulo θ de inclinação máxima de dito prato em relação a horizontal; c) determinar os espaçamentos (L1, L2, L3, Z) entre os ditos meios de passagem do gás (4) permitindo obter o dito índice de desequilíbrio máximo; e d) posicionar as ditas divisórias, respeitando os espaçamentos.
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