BR102016005412A2

BR102016005412A2 - Separador centrífugo

Info

Publication number: BR102016005412A2
Application number: BR102016005412-5A
Authority: BR
Inventors: Aurélio de Souza Marcos; Dos Santos Pereira Leonardo; Hartmann Alexandre
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2018-03-20
Also published as: BR102016005412B1

Abstract

separador centrífugo a presente invenção está relacionada a um dispositivo separador centrífugo para o processamento primário de petróleo. nesse cenário, a presente invenção provê um separador centrífugo, compreendendo (i) uma câmara central (10), abastecida por um duto de alimentação (20), (ii) um dispositivo de imposição de rotação (40) posicionado no interior do duto de alimentação (20) e (iii) um meio para acelerar o fluxo (50) no interior do duto de alimentação (20) posicionado a montante do dispositivo de imposição de rotação (40). assim, a presente invenção provê um separador centrífugo capaz de acelerar de forma eficiente o fluido no duto de alimentação (20) para que este adquira uma velocidade angular compatível com a alta velocidade de rotação da câmara central (10) rotativa. isso evita a transição abrupta de velocidade entre o duto de alimentação (20) e a câmara central (10) e, consequentemente, o cisaihamento das gotas de fluido entrante no interior do separador centrífugo.

Description

(54) Título: SEPARADOR CENTRÍFUGO (51) Int. Cl.: B04B 5/00; B04B 1/00 (73) Titular(es): PETRÓLEO BRASILEIRO S.A. - PETROBRAS, DELP ENGENHARIA MECÂNICA S/A (72) Inventor(es): MARCOS AURÉLIO DE SOUZA; LEONARDO DOS SANTOS PEREIRA; ALEXANDRE HARTMANN (57) Resumo: SEPARADOR CENTRÍFUGO A presente invenção está relacionada a um dispositivo separador centrífugo para o processamento primário de petróleo. Nesse cenário, a presente invenção provê um separador centrífugo, compreendendo (i) uma câmara central (10), abastecida por um duto de alimentação (20), (ii) um dispositivo de imposição de rotação (40) posicionado no interior do duto de alimentação (20) e (iii) um meio para acelerar o fluxo (50) no interior do duto de alimentação (20) posicionado a montante do dispositivo de imposição de rotação (40). Assim, a presente invenção provê um separador centrífugo capaz de acelerar de forma eficiente o fluido no duto de alimentação (20) para que este adquira uma velocidade angular compatível com a alta velocidade de rotação da câmara central (10) rotativa. Isso evita a transição abrupta de velocidade entre o duto de alimentação (20) e a câmara central (10) e, consequentemente, o cisaihamento das gotas de fluido entrante no interior do separador centrífugo.

FIG. 1

1/11 “SEPARADOR CENTRÍFUGO”

CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção está relacionada a um dispositivo separador centrífugo para o processamento primário de petróleo. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] O processamento primário de petróleo constitui-se de operações de separação que objetivam obter cada um dos componentes do fluido de produção, proveniente do poço, separados e no grau de pureza necessário. Neste processo, são separados água, óleo, gases e particulados sólidos, componentes que estão inicialmente emulsionados no fluido supracitado.

[0003] Dentre os dispositivos mais conhecidos do estado da técnica para o processo de separação estão os separadores centrífugos, os quais compreendem uma pluralidade de discos cônicos giratórios dispostos paralelamente entre si, dispostos internamente a um envoltório. O fluido a ser separado é então introduzido no dispositivo, de modo que a rotação dos discos faz com que a fase líquida leve seja deslocada para uma porção mais próxima do seu eixo de rotação, enquanto a fase líquida pesada é deslocada para uma porção mais afastada do eixo de rotação do dispositivo, facilitando a separação e retirada desses líquidos.

[0004] Adicionalmente, em configurações alternativas desses dispositivos, podem-se encontrar meios para se retirar particulados sólidos e/ou gases do interior do envoltório.

[0005] Um dos separadores centrífugos mais utilizados na indústria para processamento primário de petróleo é o de fluxo contínuo, onde petróleo a ser separado é alimentado continuamente através de um duto central de alimentação. As fases separadas pelo separador centrifugo também são produzidas de forma contínua nos

2/11 respectivos dutos de saída.

[0006] O duto de alimentação é estático, ou seja, não rotaciona.

Contrariamente, a câmara central do separador centrífugo, que recebe o fluido proveniente do duto de alimentação, está girando a uma alta velocidade, juntamente com as demais porções internas do separador centrífugo. Quando o fluido é alimentado, portanto, há uma aceleração abrupta do fluido que sai da parte estática, situação na qual não possui ainda movimento de rotação, e entra em contato com os elementos rotativos. Nesta condição, o gradiente de velocidade experimentado pelo fluido induz ao cisalhamento das partículas do fluido, formando gotas de tamanho menor quando comparado com o fluido originalmente alimentado. Esta redução do tamanho de gota do fluido afeta o processo de separação, tornando-o mais dificultoso visto que quanto menor o tamanho da partícula, mais difícil se torna a separação de fases. Portanto, o rendimento da máquina de separação de fases centrífuga é afetado negativamente.

[0007] Com o intuito de se minimizar o problema acima apresentado, algumas soluções podem ser encontradas no estado da técnica.

[0008] O documento EP2628544A1 revela um separador centrífugo para a separação de uma mistura de líquidos compreendendo múltiplas paletas montadas a montante de um dispositivo de entrada adaptado para provocar pré-rotação da mistura de líquido. Mais especificamente, o separador do documento EP2628544A1 compreende um rotor que é adaptado para ser rotativo com relação a um eixo de rotação. Uma câmara de entrada é formada no rotor. Um tubo de entrada estende-se para o interior do rotor. Uma abertura é formada na câmara de entrada para o fornecimento de uma mistura líquida de componentes. Um dispositivo de entrada é provido

3/11 de vários discos anulares, coaxiais com o rotor, para formar passagens para o líquido entre os discos. Múltiplas paletas são dispostas a montante do dispositivo de entrada para provocar uma pré-rotação da mistura de líquido, melhorando a qualidade da separação.

[0009] Entretanto, a técnica descrita no documento

EP2628544A1 exige uma série de elementos adicionais, tais como discos anulares e paletas de pré-rotação. Além disso, o mecanismo empregado nesta técnica exige que a transição entre a porção estática e a porção rotativa seja realizada na porção inferior do separador centrífugo. Isso demanda modificações estruturais significativas no separador centrífugo, tal como a utilização de um duto de alimentação com um comprimento bem maior.

[0010] O documento US8328709B2 revela um aparelho para separação de fluidos compreendendo um dispositivo para aceleração rotacional provido a montante de um dispositivo de centrifugação, o dispositivo para aceleração rotacional sendo provido para que o fluido entrante no dispositivo de centrifugação adquira movimento rotacional. O dispositivo para aceleração rotacional compreende lâminas heiicoidais, de modo que parte da velocidade axial do fluido é convertida em movimento de rotação. O dispositivo de centrifugação rotaciona a uma velocidade compatível com a velocidade de rotação do fluido, reduzindo tensões de cisalhamento na camada limite entre o fluido e o cilindro de rotação da centrífuga.

[0011] O documento US1906457A, por sua vez, revela um dispositivo para alimentar líquidos em um separador centrífugo, com o intuito de se reduzir ao máximo o gradiente de velocidades entre uma câmara de alimentação e uma câmara de separação. O dispositivo do documento US1906457A é compreendido no interior de um tubo de

4/11 alimentação, relativamente estacionário, o tubo de alimentação sendo adaptado para descarregar líquido no interior de uma câmara de recepção rotativa. O dispositivo é provido na parte inferior do tubo de alimentação e compreende uma série de ranhuras helicoidais providas no sentido de rotação da centrífuga. Assim, o líquido, ao atravessar o referido dispositivo, adquire velocidade rotacional compatível com a velocidade de rotação da centrífuga antes de adentrar a mesma [0012] Entretanto, as técnicas apresentadas nos documentos

US8328709B2 e US1906457A não são eficientes em separadores centrífugos de alta rotação. A simples utilização de um dispositivo estático para rotacionar o fluido não é suficiente para se imprimir uma rotação compatível com um separador centrífugo que funciona em alta rotação angular.

[0013] Assim, fica claro que o estado da técnica carece de um separador centrífugo que seja capaz de minimizar de forma eficiente a aceleração abrupta do fluido na transição entre o duto de alimentação e a câmara central rotativa.

[0014] Como será melhor detalhado abaixo, a presente invenção visa a solução dos problemas do estado da técnica acima descritos de forma prática, eficiente e com um baixo custo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0015] A presente invenção tem por objetivo principal prover um separador centrífugo que seja capaz de acelerar de forma eficiente o fluido no duto de alimentação para que este adquira uma velocidade angular compatível com a alta velocidade de rotação da câmara central rotativa, minimizando os efeitos de cisalhamento no fluido. [0016] De forma a alcançar o objetivo acima descrito, a presente invenção provê separador centrífugo compreendendo (i) uma câmara central abastecida por um duto de alimentação, (ii) um

5/11 dispositivo de imposição de rotação posicionado no interior do duto de alimentação e (iii) um meio para acelerar o fluxo no interior do duto de alimentação posicionado a montante do dispositivo de imposição de rotação.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0017] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.

[0018] A figura 1 ilustra uma vista em corte do separador centrífugo de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção.

[0019] A figura 2 ilustra uma vista em corte detalhada de um duto de alimentação do separador centrífugo contendo em seu interior um dispositivo de imposição de rotação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0020] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.

[0021] A figura 1 ilustra uma vista em corte do separador centrífugo de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção. Tal figura contempla um conjunto formado por: uma câmara central 10, abastecida por um duto de alimentação 20; uma câmara de separação 30 contendo uma pilha de discos cônicos 3; uma primeira câmara de recuperação 11 em comunicação com um primeiro duto de recuperação de fase leve 21 (líquida e/ou gasosa); e uma segunda câmara de recuperação 12 em comunicação com um segundo duto de recuperação de fase líquida pesada 22.

[0022] Como pode ser observado, os dutos de alimentação 20,

6/11 de recuperação de fase leve 21 e de recuperação de fase líquida pesada 22 são concêntricos, sendo o primeiro posicionado internamente com relação aos demais e o último posicionado externamente com relação aos demais.

[0023] Segundo a configuração preferencial descrita, o separador centrífugo da presente invenção compreende um envoltório rotativo 1 que define os limites dimensionais do equipamento.

[0024] A câmara central 10, através de sua porção inferior, se comunica de maneira fluida com a câmara de separação 30. Adicionalmente, a câmara de separação 30 está em comunicação fluida com a câmara de recuperação 12.

[0025] De forma a se evitar a aceleração abrupta do fluido na transição entre o duto de alimentação 20 e a câmara central 10 rotativa, um dispositivo de imposição de rotação 40 é provido no duto de alimentação 20, nas proximidades de sua extremidade inferior. O dispositivo de imposição de rotação 40, posicionado no duto de alimentação 20 imediatamente a montante da entrada na câmara central 10, impõe movimento de rotação no fluido entrante no sentido de rotação do separador centrífugo para que este adquira velocidade angular antes de adentrar a câmara central 10 rotativa.

[0026] O dispositivo de imposição de rotação 40, ilustrado em detalhes na vista isométrica em corte da figura 2, é preferencial mente um dispositivo heiicoidal dotado de um eixo central 42 compreendendo um helícoide 44 contínuo ao seu redor.

[0027] Alternativamente, o dispositivo de imposição de rotação 40 pode ser um dispositivo dotado de um eixo central e uma pluralidade de hélices e/ou aletas independentes (não mostrado), de forma a imprimir um movimento giratório no fluido que está sendo alimentado.

7/11 [0028] Ainda de forma alternativa, o dispositivo de imposição de rotação 40 pode ser um conjunto de aletas fixadas diretamente à parede interna do duto de alimentação 20, dispensando a necessidade de um eixo central (concretização não mostrada). As aletas devem ser configuradas de forma a impor um movimento rotacional no fluido, no sentido de rotação do separador centrífugo, quando o dito fluido é forçado a passar entre as referidas aletas.

[0029] Preferencialmente, o dispositivo de imposição de rotação 40 compreende um helicoide de passo fixo. Alternativamente, o dispositivo de imposição de rotação 40 compreende um helicoide de passo variável, onde o passo diminui no sentido de sua extremidade superior (por onde o fluido chega) para sua extremidade inferior (por onde o fluido sai), ao longo de todo o seu comprimento. A redução gradativa do passo faz com que o fluido possa ir ganhando velocidade angular aos poucos, na medida em que vai percorrendo o dispositivo de imposição de rotação 40. Isso evita que o processo de cisalhamento possa vir a ocorrer no referido dispositivo de imposição de rotação 40, mesmo que em um nível relativamente baixo.

[0030] Preferencialmente, o dispositivo de imposição de rotação 40 é um dispositivo estático com relação ao duto de alimentação 20. Em outras palavras, o dispositivo de imposição de rotação 40 não rotaciona em relação ao duto de alimentação 20. Assim, o fluxo de fluido entrante adquire uma velocidade angular apenas pela alteração da trajetória pela qual ele deve passar, a saber, uma trajetória helicoidal.

[0031] Alternativamente, o dispositivo de imposição de rotação 40 rotaciona com relação ao duto de alimentação 20. Nessa configuração, o eixo central 44 pode ser mecanicamente acoplado a algum dispositivo gerador de torque, tal como um motor (não

8/11 mostrado). Tal dispositivo gerador de torque pode estar posicionado externamente ao separador centrífugo, acima do mesmo (configuração não mostrada). Assim, o eixo central do dispositivo de imposição de rotação 40 poderia se estender ao longo de todo o comprimento do duto de alimentação 20 até acima de sua extremidade superior, onde poderia estar localizado o referido dispositivo gerador de torque acoplado mecanicamente à extremidade do eixo central.

[0032] Alternativamente, o eixo central 44 pode ser mecanicamente acoplado ao eixo de rotação do próprio separador centrifugo (configuração não mostrada), que normalmente é acoplado ao envoltório rotativo 1 em sua extremidade central inferior. Nesse caso, seria interessante a utilização de um sistema de redução de velocidade para que a velocidade angular transmitida ao eixo central 44 - e consequentemente ao dispositivo de imposição de rotação 40 seja mais baixa do que a velocidade angular dos demais componentes rotativos do separador centrífugo. Nessa configuração, o eixo central do dispositivo de imposição de rotação 40 poderia se estender ao longo de todo o comprimento da câmara central 10 até abaixo de sua extremidade inferior, onde o mesmo se acoplaria mecanicamente ao sistema de redução que, por sua vez, estaria acoplado ao eixo de rotação do separador centrífugo.

[0033] Preferencialmente, o sistema de redução empregado na presente invenção pode ser qualquer sistema de redução conhecido do estado da técnica, tal como um sistema de redução compreendendo engrenagens.

[0034] Assim, é possível impor uma determinada velocidade angular no dispositivo de imposição de rotação 40 para que seja potencializada a rotação do fluido antes da entrada na câmara central

9/11 rotativa. Nessa configuração alternativa, a velocidade angular no dispositivo de imposição de rotação 40 é preferencialmente mais baixa do que a velocidade angular dos demais componentes rotativos do separador centrífugo para evitar que o processo de cisalhamento ocorra no referido dispositivo de imposição de rotação 40. Assim, imprime-se uma velocidade angular intermediária no fluido antes da entrada na câmara central 10, reduzindo-se, consequentemente, o gradiente de velocidade angular entre o duto de alimentação 20 e a câmara central 10.

[0035] A utilização de um dispositivo de imposição de rotação 40 eficiente (com um formato adequado) e/ou que seja capaz de potencializar o giro do fluido pelo fato de ser giratório (rotacionado pelo dispositivo gerador de torque) em um separador centrífugo de fluxo contínuo empregado no processamento primário de petróleo, que gira a uma velocidade muito alta, muitas vezes é insuficiente para se evitar ou minimizar de forma efetiva o efeito de cisalhamento das gotas de fluido na entrada da câmara central 10.

[0036] Portanto, de forma a atender a essa demanda da indústria, buscou-se uma forma de se potencializar ainda mais a imposição de rotação ao fluido. Nesse cenário, identificou-se que o aumento da velocidade linear do fluido no duto de alimentação 20 potencializa o efeito imposição de rotação ao fluido promovido pelo dispositivo de imposição de rotação 40, Entretanto, é sabido que o fluxo de fluido no duto de alimentação 20 deve respeitar um nível ótimo compatível com a capacidade de separação do separador centrífugo.

[0037] A solução alcançada pela presente invenção se deu através do aumento local da velocidade linear no interior do duto de alimentação 20, sem alterar significativamente o fluxo de fluidos no

10/11 interior do separador centrífugo. Assim, o separador centrífugo da presente invenção compreende adicionalmente um meio para acelerar o fluxo no duto de alimentação 20.

[0038] Preferencialmente, o meio para acelerar o fluxo no duto de alimentação 20 é uma redução de diâmetro de seção 50 no duto de alimentação 20 a montante do dispositivo de imposição de rotação 40. Assim, pelo efeito Venturi, a velocidade local do fluido é aumentada significativamente na porção de menor diâmetro onde está localizado o dispositivo de imposição de rotação 40.

[0039] Vale ressaltar que o meio para acelerar o fluxo no duto de alimentação 20 pode ser qualquer mecanismo conhecido no estado da técnica, tal como um ou mais impelidores posicionados no interior do duto de alimentação 20. Assim, ressalta-se o fato de que os meios para acelerar o fluxo no duto de alimentação 20 não estão restritos ao exemplo ilustrado na figura 1.

[0040] Portanto, quanto maior for a redução de diâmetro maior será a velocidade linear do fluido na porção mais estreita do duto de alimentação 20, onde estará posicionado o dispositivo de imposição de rotação 40. Dessa forma, potencializar-se-á significativamente o efeito de rotação imposto ao fluido. Consequentemente, o efeito de cisalhamento das gotas do fluido será eliminado ou minimizado de forma eficiente.

[0041] Dessa forma, com base na descrição acima, a presente invenção provê um separador centrífugo capaz de acelerar de forma eficiente o fluido no duto de alimentação 20 para que este adquira uma velocidade angular compatível com a alta velocidade de rotação da câmara central 10 rotativa. Isso evita a transição abrupta de velocidade entre o duto de alimentação 20 e a câmara central 10 e, consequentemente, o cisalhamento das gotas de fluido entrante no

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interior do separador centrífugo.

[0042] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações/concretizações particulares acima descritas.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Separador centrífugo, compreendendo:

uma câmara central (10), abastecida por um duto de alimentação (20), caracterizado por compreender adicionalmente: um dispositivo de imposição de rotação (40) posicionado no interior do duto de alimentação (20); e um meio para acelerar o fluxo (50) no interior do duto de alimentação (20) posicionado a montante do dispositivo de imposição de rotação (40).
2. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação

1, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) ser um dispositivo helicoidal dotado de um eixo central (42) compreendendo um helicoide (44) contínuo ao seu redor.
3. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação

2, caracterizado por o helicoide (44) do dispositivo de imposição de rotação (40) ser um helicoide de passo fixo ou variável ao longo do comprimento do dispositivo de imposição de rotação (40).
4. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) ser um dispositivo dotado de um eixo central e uma pluralidade de hélices e/ou aletas independentes.
5. Separador centrífugo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) ser estático com relação ao duto de alimentação (20).
6. Separador centrífugo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) ser rotativo com relação ao duto de alimentação (20).
7. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação

A. ·»

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6, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) compreender um eixo central mecanicamente acoplado a um dispositivo gerador de torque.
8. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação

7, caracterizado por o dispositivo gerador de torque ser um de:

motor posicionado externamente ao separador centrífugo, acima do mesmo; e eixo de rotação do separador centrífugo em conjunto com um sistema de redução de velocidade angular.
9. Separador centrífugo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de imposição de rotação (40) ser um conjunto de aletas fixadas diretamente à parede interna do duto de alimentação (20).
10. Separador centrífugo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o meio para acelerar o fluxo (50) no interior do duto de alimentação (20) ser uma redução de diâmetro de seção (50) no duto de alimentação (20).
11. Separador centrífugo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o meio para acelerar o fluxo (50) no interior do duto de alimentação (20) ser pelo menos um impelidor posicionado no interior do duto de alimentação (20).

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