BR102014020267A2 - dispositivo gerador de giro para separação de fases e uso - Google Patents

Abstract

dispositivo gerador de giro para separação de fases e uso. a presente invenção trata-se de um dispositivo gerador de giro para separacão de fases e uso. o dispositivo pode ser aplicado diretamente em tubulações de produção/transporte de fases, induzindo o escoamento ao padrão anular, onde uma fase escoa pelo centro do tubo e a outra pelas paredes. esse padrão gera uma redução de atrito do escoamento e, consequentemente, reduz os custos de operação.

Description

DISPOSITIVO GERADOR DE GIRO PARA SEPARAÇÃO DE FASES E USO CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção trata-se de um dispositivo gerador de giro para separação de fases e uso.

[002] O dispositivo pode ser aplicado diretamente em tubulações de produção/transporte de fases, induzindo o escoamento ao padrão anular, onde uma fase escoa pelo centro do tubo e a outra pelas paredes. Esse padrão gera uma redução de atrito do escoamento e, consequentemente, reduz os custos de operação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA

[003] A segregação óleo-água apresenta interesse como tecnologia de escoamento em dutos, sobretudo no caso de óleos viscosos menos densos que a água. A configuração de escoamento anular óleo-água (core-flow) com o óleo viscoso ocupando a parte central do tubo e a água formando um anel junto à parede permite reduzir significativamente as perdas por atrito do escoamento.

[004] É interessante um dispositivo de segregação de fases capaz de promover a coalescência de pequenas partículas fluidas (microbolhas, goticulas) dispersas em uma fase continua. A coalescência gera partículas de maior tamanho, favorecendo sua segregação pela força de campo aplicada. Esse fenômeno é, obviamente, afetado pela diferença de densidades entre as fases, viscosidade da fase contínua e tensão interfacial.

[005] O escoamento com giro cria um campo centrífugo que força a fase mais leve a migrar para o centro e a mais pesada para a parede do duto. Uma das vantagens desse tipo de separador, em comparação a outros, é que ele não possui elementos móveis ou elétricos. Dependendo da escolha da velocidade tangencial e do raio, a separação poderá ser mais rápida que a promovida por um separador gravitacional convencional.

[006] Separadores ciclônicos são utilizados em várias aplicações da indústria de processos, sempre com o objetivo de separar dois componentes de diferentes densidades com a ajuda do campo centrifugo. É comum encontrar na indústria aplicações de separadores sólido-liquido e sólido-gás. Separadores ciclônicos para separar dois líquidos imiscíveis, tal como requerido na produção de petróleo, constituem ocorrência pouco comum.

[007] Na produção de petróleo, a separação das fases óleo-água-gás é fundamental, pois geralmente ocorre a produção simultânea de gás, óleo e água, juntamente com impurezas. Há a necessidade de se utilizar facilidades de processamento do óleo em campos marítimos e terrestres.

[008] A água que é produzida junto com o petróleo pode ser reaproveitada ou descartada. Em campos marítimos, para descarregar no mar a água produzida durante o processo de produção de óleo, a concentração de óleo deve ser inferior a 20 mg/litro (ou 40ppm) e não pode ser obtido apenas com o tanque separador. Por outro lado, uma vez instalado, o tanque na plataforma não pode ser substituído facilmente. Assim, o dispositivo desejado deve ser compacto e eficiente, principalmente para aplicações em campos marítimos.

[009] 0 processamento primário do petróleo obrigatoriamente inclui um conjunto de vasos separadores de superfície, operando segundo diferentes princípios (gravitacional, ciclônico, centrífugo, elétrico, físico-químico) e, no caso, da separação óleo-água, requerendo adição de calor e/ou agentes desemulsificantes. Além disso, modernos sistemas de produção marítima incluem separadores gás-líquido ou líquido-líquido no leito marinho, o que possibilita aumentar a produção, facilitar a reinjeção de fluidos no reservatório e reduzir a ocupação de espaço nas plataformas.

[010] O hidrociclone de entrada tangencial tem sido utilizado na separação de óleo e água na indústria e, especificamente na indústria do petróleo. Mas a vantagem do hidrociclone de entrada axial, tipo de dispositivo da presente invenção, em relação ao hidrociclone de entrada tangencial é, principalmente, a possibilidade de ser compacto e ser instalado diretamente na linha de produção. Além disso, sua geometria causa menor queda de pressão, aumento da capacidade de segregação, sendo 40% maior do que em ciclones de entrada tangencial, e favorece um controle mais flexível do processo.

[011] O documento de patente WG2012024099 refere-se a um sistema de separação usando membranas para separação liquido-liquido e liquido-óleo e não pode ser aplicado diretamente em tubulação pelo tamanho e geometria especifica do dispositivo.

[012] O documento de patente CN201832722 refere-se a um dispositivo que pode ser aplicado em tubulações e possui partes elétricas e móveis. A grande desvantagem é a dificuldade de manutenção dependendo do local da instalação do dispositivo.

[013] O documento de US201401383Q6 refere-se a um gerador de ciclone para separação agua-óleo fixado na tubulação cuja a variação da angulação é entre 10 e 60 graus. Nesta tecnologia ocorre escoamento reverso na região de saída do gerador de giro é prejudicial quando se deseja segregação das fases.

[014] O documento de patente US5Q17288 e WO8909653 se referem a dispositivos com entrada tangencial de grande porte em relação a presente tecnologia, cuja a parte tangente do ciclone se torna frágil em condições de alta pressão. Além disso, não podem ser usados como gerador padrão de escoamento.

[015] Seria útil se o estado da técnica dispusesse de um dispositivo gerador de giro (DGG) que traz como vantagem ter guias fixas, agindo como um estator, e por não ter componentes elétricos, o que determina maior confiabilidade de operação. O dispositivo aproveita a geometria do tubo por onde escoa a mistura de fases para realizar a separação, em função da geometria especifica e por ser compacto. A considerar um escoamento disperso onde a água é a componente dispersa e o óleo a fase contínua, ter-se-á o óleo viscoso escoando axialmente pelo centro do tubo e a água junto à parede. Uma vez lograda a segregação de fases, pode-se tanto utilizar o hidrociclone axial como um pré-separador visando a extração da água que está junto à parede, quanto estabelecer o padrão de escoamento anular conhecido como core-flow, o que proporcionaria uma significativa redução de atrito para o escoamento à jusante.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[016] A presente invenção trata-se de um dispositivo gerador de giro para separação de fases e uso.

[017] O dispositivo gerador de giro(DGG) compreende um componente de forma hemisférica (1), um corpo sólido e cilíndrico que compreende 12 palhetas helicoidais fixas (n) com ângulo de deflexão(a) de 63.5° e inexistência de folga(b)(2) e um componente em forma de cone (3).

[018] O componente (1) compreende raio R e o componente (3) compreende raio de base R e tamanho 4R.

[019] O dispositivo é aplicável para separação de fase líquido-líquido, líquido-gás e líquido-sólido em tubulações de produção/transporte de fases.

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[020] A figura 1 mostra a vista em corte no raio médio do anular das palhetas, cada uma sendo formada com uma curvatura de raio (r) , onde (i) é a região de descolamento da camada limite e (cx) é o ângulo de deflexão.

[021] A figura 2 mostra a linha de contato de uma palheta com o núcleo do estator (cujo raio na parte reta é Ri) .

[022] A figura 3 é o esquema do dispositivo com as peças auxiliares, onde 1 é o nariz de entrada de escoamento de forma hemisférica, 2 é o dispositivo gerador de giro (DGG) e 3 é a cauda de forma de cone.

[023] A figura 4 é a vista de entrada do escoamento do liquido-líquido no dispositivo de giro axial.

[024] A figura 5 é a vista de entrada do escoamento do liquido-liquido no dispositivo com o componente de meia esfera para auxiliar na entrada do liquido-liquido.

[025J A figura 6 é a vista da saída do escoamento liquido- liquido com o componente de forma cônica na saída do liquido- liquido que tem a função de diminuir a turbulência na separação.

[026] A figura 7 é o protótipo instalado diretamente na tubulação.

[027] A figura 8 representa a seção de testes.

[028] A figura 9 mostra a alteração no padrão do escoamento devido ao DGG, em que (A) é bolha alongada (ao montante), (B) é o escoamento anular com giro (à jusante), em que a fase gasosa está na região do núcleo da tubulação e fase liquida está na região anular, e (C) é a entrada de gás-liquido com vazão de 5m3/h.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[029] A presente invenção trata-se de um dispositivo gerador de giro para separação de fases e uso.

[030] 0 dispositivo gerador de giro(DGG) compreende um componente de forma hemisférica (1) , um corpo sólido e cilíndrico que compreende 12 palhetas helicoidais fixas (n) com ângulo de deflexão(a) de 63.5° e inexistência de folga(b)(2) e um componente em forma de cone (3).

[031] O componente (1) compreende raio R e o componente (3) compreende raio de base R e tamanho 4R.

[032] O dispositivo é aplicável para separação de fase líquido-líquido, liquido-gás e líquido-sólido em tubulações de produção/transporte de fases.

[033] Os componentes (1) e (3) têm a função de minimizar as perdas de energia à jusante e à montante do dispositivo gerador de giro. O componente (1) é para suavizar o escoamento na entrada do dispositivo, e o componente (3) para evitar a recirculação do escoamento próximo à saída do dispositivo. A Figura 3 mostra as dimensões dos componentes de acordo com o tamanho do componente (2) . Para R* igual a 2cm, o comprimento do cone (Lc)é de 8cm.

[034] O componente (2) possui características baseadas nas especificações de ângulo de deflexão (cx) desejado para o escoamento em relação à coordenada axial, quantidade de palhetas(n) e na distância entre as guias(b=p-s), para evitar que o fluido escoe sem ser defletido (Figura 1 e 2).

[035] O componente (2) com as características desejadas para sua função de separação de fases pode assumir diversos tamanhos (Figuras 1, 2 e 3) desde que as características essenciais sejam mantidas (ângulo de deflexão(a), quantidade de palhetas (n) e inexistência de folga (b)) e obedecendo as equações abaixo para calcular o seu tamanho.

[036] Para construir o protótipo e definir as características ideais do componente (2) (ângulo de deflexão (cx) , quantidade de palhetas (n) e inexistência de folga (b)), o método utilizado que compreende os seguintes dados fixos: tx=63.5°, b=0(p=s) e Lf=2cm e as seguintes etapas: a) definir R* de acordo com o raio da tubulação no qual o dispositivo será utilizado; b) definir tamanho da semicircunferência de (1)=R*, tamanho de (2)=R* e tamanho do cone (3)=4R*; c) definir o raio de curvatura (r) da palheta por meio da relação do ângulo de deflexão (a) e o comprimento Lf: d) definir a distância (s) por meio da relação do raio de curvatura (r) e do ângulo de deflexão (a): s = r[l — cos a] ; e) definir o ângulo (y2) e altura (h) por meio da distância (s) e do raio interno (Ri): h = Ri[l — cos Y2] ; f) definir o comprimento de corda (c), sendo: g) definir o espaçamento entre as palhetas (p) por meio da distância (s) e da folga (b) como sendo: b = 0, logo, p — s; h) o número de palhetas (n) é dependente do passo das palhetas e do raio médio (Rm), definidos como: [037] O fluido bombeado através da tubulação se aproxima à montante do dispositivo, somente com a componente axial da velocidade. O fluido então escoa através de um espaço anular (entre o dispositivo e a parede interna do tubo) guiado por palhetas helicoidais, projetadas para criar a componente tangencial de velocidade (velocidade de giro).

Exemplo de concretização [038] O protótipo (figuras 4,5 e 6) criado para exemplificação da presente invenção e seu uso (figura 7) foi baseado nas características essenciais mencionado anteriormente. Tabela 1. Dimensões do protótipo [039] A seção de testes (Figura 8) está imediatamente à jusante do dispositivo gerador de giro e consiste de um tubo de seção transversal circular de 50mm de diâmetro interno e 3m de comprimento, confeccionado em acrílico transparente. A seção de testes possui duas tomadas de pressão estática (Figura 8A) de maneira a permitir que a diferença de pressão fosse obtida experimentalmente. A solução gas/água-glicerina foi escolhida para aumentar a viscosidade do liquido e, consequentemente, obter resultados para escoamento laminar, além de proporcionar melhor visualização do escoamento, e a vazão foi de 5m3/h [040] A segregação de fases(gás-liquido) ocorre quando dois componentes de massas especificas, no caso gás e agua-glicerina, diferentes escoam sob o campo de escoamento com giro com o uso do dispositivo. Conforme observado na figura 9, o gás está na região do núcleo da tubulação, enquanto o liquido está na região anular.

Claims (5)

1 . Dispositivo gerador de giro para separação de fases CARACTERIZADO POR compreender um componente de forma hemisférica (1), um corpo sólido e cilíndrico que compreende 12 palhetas helicoidais fixas (n) com ângulo de deflexão(a) de 63.5° e inexistência de folga (b) (2) e um componente em forma de cone (3)

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO PELO fato do componente (2) ter tamanho 2R e raio R

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO PELO fato do componente (1) compreender raio R

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO PELO fato do componente (3) compreender raio de base R e tamanho 4R.

5. Uso do dispositivo conforme definido nas reivindicações de 1 a 4 CARACTERIZADO POR ser aplicável para separação de fase líquido-líquido, líquido-gás e líquido-sólido em tubulações de produção/transporte de fases.