BR102017019628B1

BR102017019628B1 - Sistema externo de movimentação de fluidos em um tanque de armazenamento

Info

Publication number: BR102017019628B1
Application number: BR102017019628-3A
Authority: BR
Inventors: Luiz Felipe Fontes Lopes Alves; Alexandre Teixeira De Pinho Alho; Marta Cecilia Tapia Reyes; Peter Kaleff; Jorge Alam Warrak; Isaias Quaresma Masetti
Original assignee: Petrobras Transporte S/A - Transpetro
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2022-03-29
Also published as: CA3075913A1; AU2018333031A1; JP2020535965A; BR102017019628A8; JP7258895B2; AR113042A1; WO2019053461A1; BR102017019628A2; US20200246765A1; US11865501B2

Abstract

A presente invenção está relacionada a técnicas de movimentação de hidrocarbonetos em tanques de armazenamento para evitar a formação de borra. Nesse cenário, a presente invenção provê um sistema externo de movimentação de fluidos em um tanque de armazenamento (10), compreendendo pelo menos dois conjuntos de bombeamento (20, 20a, 20b, 20c, 20d), cada conjunto de bombeamento (20, 20a, 20b, 20c, 20d) compreendendo (i) um duto de bombeamento (30) externo ao tanque de armazenamento (10) em comunicação fluida com o interior do tanque de armazenamento (10) em pelo menos dois pontos distintos do tanque de armazenamento através de duas extremidades do dito duto de bombeamento (32, 34), e (ii) uma bomba (40) adaptada circular fluido através do duto de bombeamento (30), em que o fluido circulado através do duto de bombeamento (30) é captado do tanque de armazenamento (10) em uma extremidade do duto de bombeamento (32, 34) e descarregado no próprio tanque de armazenamento (10) através da outra extremidade do duto de bombeamento (32, 34), e em que o fluxo de fluido no duto de bombeamento (30) é reversível.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção está relacionada a técnicas de movimentação de líquidos em tanques de armazenamento. Mais especificamente, a presente invenção está relacionada a técnicas de movimentação de hidrocarbonetos em tanques de armazenamento para evitar a formação de borra.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Hidrocarbonetos produzidos em locais de exploração de petróleo são armazenados em tanques ao longo de diversas etapas de seu processamento. Durante as etapas de armazenamento, pode haver a formação de borras oleosas, principalmente em algumas regiões do fundo do tanque.

[0003] A borra é constituída de colônias de microorganismos e de produto de corrosão dos tanques, o que nada mais é do que uma contaminação do hidrocarboneto. Tal contaminação, além da redução progressiva do volume útil do tanque, resulta em maiores tempos e custos associados ao processo de esvaziamento, limpeza e manutenção dos tanques.

[0004] Portanto, a manutenção dos elementos formadores de borra em suspensão representa uma estratégia eficaz para a redução da formação de borra no interior de tanques de armazenamento de hidrocarbonetos. Nesse cenário, uma das estratégias mais utilizadas na indústria de petróleo para a redução da formação de borra é a circulação do hidrocarboneto em velocidades acima da velocidade crítica. Os métodos usualmente utilizados são baseados em misturadores do tipo hélice (side propeller mixers'),instalados em determinadas posições do costado.

[0005] Considerando-se um arranjo típico, a dinâmica do escoamento no interior do tanque resultante da ação de misturadores tipo hélice caracteriza-se pela formação de regiões de concentração de energia cinética, localizadas próximas às descargas dos impelidores, e regiões de recirculação nas quais se observam velocidades predominantemente baixas. Tais características comprometem a eficiência do sistema de movimentação no que se refere à redução da formação de borra, particularmente na região central do tanque.

[0006] Associado a isto, tais misturadores, por introduzirem componentes móveis no interior dos tanques, acabam por trazer inconvenientes à operação dos 2/9 RuD mesmos, uma vez que prejudicam sua continuidade operacional durante a correção/prevenção de quebras e vazamentos atrelados aos impelidores.

[0007] Na tentativa de solução dos problemas acima mencionados, algumas empresas desenvolveram sistemas de mistura em tanques do tipo “jet mixer”.De maneira geral, tais sistemas provêm um ponto de captação de fluido e um bico injetor no interior do tanque para recircular o fluido.

[0008] A empresa Xylem desenvolveu um sistema conhecido como Flygt Jet Mixer™,que consiste em um sistema externo de mistura a jato compreendendo uma bomba que capta o líquido do interior do tanque em um determinado ponto e injeta-o de volta em um outro local. Um sistema de injeção compreendendo um bocal e um ejetor é provido no interior do tanque para aumentar a eficiência da mistura.

[0009] A empresa Mixrite também desenvolveu um sistema do tipo “jet mixer1’semelhante, onde uma bomba que capta o líquido do interior do tanque em um determinado ponto e injeta-o de volta em um outro local. Um sistema de injeção compreendendo um bocal e um difusor. Na medida em que fluido é injetado sob pressão no tanque, passando pelo bocal, vácuo é criado na entrada do difusor devido ao princípio de Bernoulli. Esse efeito cria um sistema de movimentação do fluido no interior do tanque.

[0010] Apesar de os sistemas acima descritos não compreenderem partes móveis no interior dos tanques, solucionando um dos principais problemas do estado da técnica, os mesmos não conseguem uma eficiência tão grande de mistura no interior do tanque, já sempre haverá uma região do tanque com alta velocidade, nas proximidades do bico injetor, e outras regiões com velocidades mais baixas. Ainda, para se conseguir uma taxa de mistura eficiente nas regiões com velocidades mais baixas é necessário aumentar muito a potência da bomba, fazendo com que haja muito consumo de energia. Ademais, dependendo do tamanho e formato do tanque de armazenamento, tais sistemas podem apresentar baixa eficiência de movimentação do fluido.

[0011] Por fim, a construtividade dos bicos injetores, que faz com que os mesmos sejam mais eficientes no processo de mistura do líquido no tanque, torna-os mais susceptíveis ao entupimento, o que acaba por demandar o esvaziamento do tanque para manutenção ou substituição do bico. 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

[0012] A presente invenção tem por objetivo prover um sistema externo de movimentação de fluidos em tanques de armazenamento que não necessite de quaisquer componentes passíveis de falha posicionados no interior do tanque, sendo todo e qualquer serviço manutenção realizado em componentes externos ao tanque.

[0013] A presente invenção também tem por objetivo prover um sistema externo de movimentação de fluidos em tanques de armazenamento que possua uma alta eficiência de movimentação e baixo consumo energético, independentemente do formato do tanque de armazenamento.

[0014] De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presente invenção provê um sistema externo de movimentação de fluidos em um tanque de armazenamento, compreendendo pelo menos dois conjuntos de bombeamento, cada conjunto de bombeamento compreendendo (i) um duto de bombeamento externo ao tanque de armazenamento em comunicação fluida com o interior do tanque de armazenamento em pelo menos dois pontos distintos do tanque de armazenamento através de duas extremidades do dito duto de bombeamento e (ii) uma bomba adaptada circular fluido através do duto de bombeamento, em que o fluido circulado através do duto de bombeamento é captado do tanque de armazenamento em uma extremidade do duto de bombeamento e descarregado no próprio tanque de armazenamento através da outra extremidade do duto de bombeamento, e em que o fluxo de fluido no duto de bombeamento é reversível.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0015] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.

[0016] A figura 1 ilustra uma vista superior esquemática de um tanque de armazenamento compreendendo o sistema externo de movimentação de fluidos em uma concretização onde quatro conjuntos de bombeamento são providos.

[0017] A figura 2 ilustra uma vista superior esquemática de um dos conjuntos de bombeamento da figura 1. A figura 3 ilustra uma vista superior detalhada do lado esquerdo do conjunto de bombeamento da figura 2. « Ruo

[0018] A figura 4 ilustra uma vista isométrica de uma extremidade de um duto de bombeamento compreendendo um formato hidrodinâmico.

[0019] A figura 5 ilustra uma vista isométrica esquemática de um tanque de armazenamento compreendendo o sistema externo de movimentação de fluidos em uma concretização onde quatro conjuntos de bombeamento operam com fluxos combinados.

[0020] A figura 6 apresenta resultados obtidos através de simulações numéricas via CFD para a operação com fluxos combinados da figura 5 em uma primeira configuração de fluxos.

[0021] A figura 7 apresenta resultados obtidos através de simulações numéricas via CFD para a operação com fluxos combinados da figura 5 em uma segunda configuração de fluxos.

[0022] A figura 8 ilustra uma vista isométrica esquemática de um tanque de armazenamento compreendendo o sistema externo de movimentação de fluidos em uma concretização onde quatro conjuntos de bombeamento operam com fluxos opostos.

[0023] A figura 9 apresenta resultados obtidos através de simulações numéricas via CFD para a operação com fluxos opostos da figura 8.

[0024] A figura 10 ilustra uma vista superior esquemática de um tanque de armazenamento compreendendo o sistema externo de movimentação de fluidos em uma concretização onde três conjuntos de bombeamento são providos.

[0025] A figura 11 ilustra uma vista superior detalhada de um dos lados de dois dos conjuntos de bombeamento da figura 10.

[0026] A figura 12 ilustra uma vista frontal detalhada de um dos lados de dois dos conjuntos de bombeamento da figura 10.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0027] 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.

[0028] A presente invenção provê um sistema externo de movimentação de fluidos em um tanque de armazenamento 10 compreendendo pelo menos dois conjuntos de bombeamento 20. De maneira exemplificativa, a figura 1 ilustra uma vista superior esquemática de um tanque de armazenamento 10 cilíndrico, dotado $ RUE de uma parede lateral cilíndrica 12, compreendendo o sistema externo de ^A'' movimentação de fluidos da presente invenção em uma concretização onde quatro conjuntos de bombeamento 20 são providos.

[0029] Conforme ilustrado nos detalhes das figuras 2 e 3, cada conjunto de bombeamento 20 do sistema da presente invenção vai compreender um duto de bombeamento 30 externo ao tanque de armazenamento 10 em comunicação fluida com o interior do tanque de armazenamento 10 em pelo menos dois pontos distintos do tanque de armazenamento 10 através de duas extremidades 32, 34 do dito duto de bombeamento 30. Preferencialmente, pelo menos uma das extremidades 32, 34 do duto de bombeamento 30 se projeta em direção ao interior do tanque de armazenamento 10. Opcionalmente, em uma concretização onde o tanque de armazenamento é cilíndrico, todas as extremidades 32, 34 dos dutos de bombeamento 30 apontam substancialmente para o centro do tanque, conforme ilustrado na figura 1.

[0030] Ainda mais preferencialmente, cada uma das extremidades 32, 34 do duto de bombeamento 30 possui o formato de um bico hidrodinâmico, conforme ilustrado na figura 4. Esse formato específico foi desenvolvido para promover uma movimentação ainda mais efetiva do escoamento na camada de fluido próxima ao fundo do tanque. Testes experimentais e resultados de modelagem numérica de dinâmica de fluidos (CFD - do inglês, Computational Fluid Dynamics) mostraram a eficiência consideravelmente superior desse formato de bico hidrodinâmico para a aplicação em questão.

[0031] Adicionalmente, conforme ilustrado nas figuras 1 a 3, cada conjunto de bombeamento 20 do sistema da presente invenção compreende uma bomba 40 adaptada circular fluido através do duto de bombeamento 30. Assim, fluido do interior do tanque de armazenamento 10 é captado através de uma das extremidades 32, 34, circulado através do duto de bombeamento 30 e descarregado na extremidade oposta 32, 34.

[0032] Preferencialmente, cada bomba é provida de um sistema de controle de velocidade, por meio de um inversor de frequência, por exemplo, através do qual são ajustados o sentido do fluxo e o valor da vazão de operação de cada conjunto de bombeamento 20 de forma independente dos demais. Assim, permite-se que o fluxo de fluido no duto de bombeamento 30 de cada conjunto de bombeamento 20 tenha sua intensidade regulada e que seja reversível. Rud

[0033] Dessa maneira, o sistema da presente invenção permite que uma rotina de alternância de sentidos e velocidades de fluxo possa ser estabelecida para um determinado tanque de armazenamento 10, fazendo com que sejam eliminadas ao máximo regiões permanentes de baixa velocidade, como observado nos sistemas do estado da técnica.

[0034] As figuras 5 e 8 ilustram uma concretização alternativa do sistema da presente invenção compreendendo quatro conjuntos de bombeamento 20a, 20b, 20c, 20d posicionados no tanque de armazenamento 10 em pares, cada par estando posicionado opostamente com relação ao outro par. Preferencialmente, nessa concretização, a direção para a qual as extremidades 32, 34 de todos os dutos de bombeamento 30 estão apontadas no interior do tanque de armazenamento 10 são paralelas entre si.

[0035] Ainda fazendo referência às figuras 5 e 8, duas combinações de fluxos são ilustradas dentre inúmeras possíveis. Para facilidade de entendimento, uma vez que o tanque de armazenamento 10 utilizado como exemplo nas figuras é cilíndrico, utilizaremos as denominações de “fluxo horário” quando o sentido do fluxo em um determinado duto de bombeamento 30 for no sentido horário com relação ao tanque de armazenamento 10 (ou seja, da extremidade 32 para a extremidade 34) e “fluxo anti-horário” quando o sentido do fluxo em um determinado duto de bombeamento 30 for no sentido anti-horário com relação ao tanque de armazenamento 10 (ou seja, da extremidade 34 para a extremidade 32).

[0036] Com base no acima exposto, a figura 5 apresenta um exemplo de configuração de fluxos denominada de “operação com fluxos combinados”. Nessa configuração, um primeiro conjunto de bombeamento 20a possui o fluxo em seu duto de bombeamento no sentido horário. O fluxo nos dutos de bombeamento do segundo 20b, terceiro 20c e quarto 20d conjuntos de bombeamento são, respectivamente, anti-horário, anti-horário e horário. Assim, na operação com fluxos combinados do exemplo acima criam-se fluxos mais rápidos nas linhas centrais e laterais paralelas à direção para a qual as extremidades 32, 34 dos dutos de bombeamento 30 estão apontadas. As figuras 6 e 7 apresentam resultados obtidos através de simulações numéricas via CFD para duas configurações de operação com fluxos combinados. A legenda em gradiente de cores apresenta a velocidade das linhas de fluxo em metros por segundo (m/s) a uma cota 0,7m acima do fundo do tanque de armazenamento. Mais especificamente, a figura 6 ilustra resultados para uma configuração de operação com fluxos combinados onde o fluxo em cada duto de bombeamento é de 2,0 m/s. A figura 7, por sua vez, ilustra resultados para uma configuração de operação com fluxos combinados onde o fluxo nos dutos de bombeamento do primeiro 20a e terceiro 20c conjuntos é de 2,0 m/s e o fluxo nos dutos de bombeamento do segundo 20b e quarto 20d conjuntos é de 1,0 m/s.

[0037] A figura 8 apresenta um exemplo de configuração de fluxos denominada de “operação com fluxos opostos”. Nessa configuração, um primeiro conjunto de bombeamento 20a possui o fluxo em seu duto de bombeamento no sentido horário. O fluxo nos dutos de bombeamento do segundo 20b, terceiro 20c e quarto 20d conjuntos de bombeamento são, respectivamente, anti-horário, horário e anti-horário. Assim, na operação com fluxos opostos do exemplo acima criam-se, de maneira geral, fluxos mais turbulentos nas proximidades do fundo do tanque de armazenamento.

[0038] A figura 9 apresenta resultados obtidos através de simulações numéricas via CFD, nos mesmos padrões das figuras 6 e 7, para duas configurações de operação com fluxos opostos. Nessa simulação, fluxo em cada duto de bombeamento é de 2,0 m/s

[0039] Dessa maneira, como já mencionado acima, o sistema da presente invenção permite que uma rotina de alternância de sentidos e velocidades de fluxo, (opostos e combinados, por exemplo) possa ser estabelecida em um determinado ciclo de movimentação para um determinado tanque de armazenamento, fazendo com que regiões de alta e baixa velocidade variem de posição no interior do tanque ao longo das variações do ciclo. Ainda, tais alternâncias em um determinado ciclo permitem um melhor ajuste das velocidades do fluido para que as mesmas se adaptem a qualquer formato e tamanho de tanque de armazenamento.

[0040] Em uma concretização alternativa adicional, ilustrada na vista superior da figura 10, três conjuntos de bombeamento 30 são empregados. Nessa concretização, de modo a ampliar a amplitude angular do fluxo injetado no interior do tanque, cada extremidade do duto de bombeamento compreende duas ou mais saídas/entradas distintas (dois bicos hidrodinâmicos) apontados para direções diferentes, conforme ilustrado de forma detalhada na figura 11. Vale rs 8/9 RJJL ressaltar que essa a configuração de duas saídas/entradas em cada extremidade do duto de bombeamento 30 pode ser empregada em qualquer concretização possível da presente invenção, independentemente do número de conjuntos de bombeamento 20.

[0041] Preferencialmente, uma válvula de bloqueio 50, de acionamento automático ou manual, é provida a jusante e a montante da bomba 40, mais preferencialmente em cada uma das extremidades 32, 34 de cada duto de bombeamento 30. Isso permite que cada conjunto de bombeamento 20 possa ser isolado ou desligado de forma independente dos demais para manutenção da bomba 40 ou para reduzir a quantidade de conjuntos de bombeamento 20 em funcionamento (para, por exemplo, reduzir o consumo de energia durante um período de tempo).

[0042] Ainda preferencialmente, na concretização ilustrada nas figuras 10,11 e 12 duas saídas/entradas em cada extremidade do duto de bombeamento 30 são providas, cada uma das duas saídas/entradas podendo compreender uma válvula de bloqueio 50. Além de permitir o fechamento de todo o conjunto de bombeamento 20, conforme mencionado acima, esse arranjo permite que apenas uma saída/entrada em cada extremidade do duto de bombeamento 30 seja fechada, fazendo que, em determinadas situações, o conjunto de bombeamento 30 possa funcionar com apenas uma entrada e uma saída.

[0043] Opcionalmente, conforme ilustrado na figura 12, a porção central dos dutos de bombeamento 30 podem estar enterradas, ou seja, posicionadas abaixo no nível do solo. Isso evita o congestionamento de partes e peças no entorno do tanque de armazenamento 10 e eventuais danos aos dutos.

[0044] Dessa forma, com base na descrição acima, a presente invenção provê um sistema externo de movimentação de fluidos em tanques de armazenamento que não necessita de quaisquer componentes passíveis de falha posicionados no interior do tanque, sendo todo e qualquer serviço manutenção realizado em componentes externos ao tanque. O sistema da presente invenção ainda possui alta eficiência de movimentação e baixo consumo energético, podendo se adaptar aos mais variados tipos de formato do tanque de armazenamento.

[0045] Adicionalmente, através das possibilidades de implementação de rotinas de variação de sentido e intensidade de fluxo em cada um dos conjuntos %. de bombeamento 20, permite-se uma altíssima eficiência de mistura no interior do tanque, fazendo com que a potência utilizada seja consideravelmente mais baixa que as dos sistemas do estado da técnica. A título de exemplo, comparativamente aos sistemas do tipo jet mixercitados nos fundamentos da invenção do presente descritivo, a diferença de potência de serviço é bastante significativa. Tendo como referência o modelo J200 da empresa Mixrite, o qual opera na condição máxima de 722,2 m3/h @ 7,0 bar, estima-se para essa condição um valor de potência de operação da ordem de 26 hp (considerando-se um valor típico de eficiência da bomba equivalente a 70%). Considerando-se a condição de melhor custo/benefício alcançada, o sistema da presente invenção consome uma potência de aproximadamente 9 hp, para uma vazão da ordem de 2190 m3/h. Dessa forma, no presente exemplo comparativo, o sistema da presente invenção consegue uma vazão aproximadamente três vezes maior consumindo uma potência praticamente três vezes menor. Assim, comprova-se a eficiência significativamente superior da presente invenção com relação aos sistemas existentes no estado da técnica.

[0046] 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.

Claims

1. Sistema externo de movimentação de fluidos em um tanque de armazenamento (10), compreendendo pelo menos dois conjuntos de bombeamento (20, 20a, 20b, 20c, 20d), cada conjunto de bombeamento (20, 20a, 20b, 20c, 20d) caracterizadopor compreender: um duto de bombeamento (30) externo ao tanque de armazenamento (10) em comunicação fluida com o interior do tanque de armazenamento (10) em pelo menos dois pontos distintos do tanque de armazenamento através de duas extremidades do dito duto de bombeamento (32, 34), e uma bomba (40) adaptada circular fluido através do duto de bombeamento (30), em que o fluido circulado através do duto de bombeamento (30) é captado do tanque de armazenamento (10) em uma extremidade do duto de bombeamento (32, 34) e descarregado no próprio tanque de armazenamento (10) através da outra extremidade do duto de bombeamento (32, 34), e em que o fluxo de fluido no duto de bombeamento (30) é reversível.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor pelo menos uma das extremidades (32, 34) do duto de bombeamento (30) se projetar em direção ao interior do tanque de armazenamento (10).

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopor pelo menos uma das extremidades (52, 34) do duto de bombeamento (30) compreender o formato de um bico hidrodinâmico.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadopor compreender quatro conjuntos de bombeamento (20a, 20b, 20c, 20d).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopor os conjuntos de bombeamento (20a, 20b, 20c, 20d) estarem posicionados no tanque de armazenamento (10) em pares, cada par estando posicionado opostamente com relação ao outro par.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os conjuntos de bombeamento (20a, 20b, 20c, 20d) de um determinado par terem seus fluxos de fluido no interior de seus dutos de bombeamento (30) em um mesmo sentido, seja ele horário ou anti-horário.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os conjuntos de bombeamento (20a, 20b, 20c, 20d) de um determinado par terem seus fluxos de fluido no interior de seus dutos de bombeamento (10) em sentidos opostos.

8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 7, caracterizado por as direções para as quais as extremidades (32, 34) do duto de bombeamento (30) que se projetam em direção ao interior do tanque de armazenamento (10) serem paralelas entre si.

9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por compreender três conjuntos de bombeamento (20a, 20b, 20c, 20d).

10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por pelo menos uma das extremidades (32, 34) do duto de bombeamento (30) compreender duas ou mais saídas/entradas.

11. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender pelo menos uma válvula de bloqueio (50) posicionada em cada uma das extremidades (32, 34) do duto de bombeamento (30) dos pelo menos dois conjuntos de bombeamento (20).

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender uma válvula de bloqueio (50) posicionada em cada uma das entradas/saídas das extremidades (32, 34) do duto de bombeamento (30) dos pelo menos dois conjuntos de bombeamento (20).

13. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por o fluxo de fluido em cada um dos dutos de bombeamento (30) ser de 0,5 a 5 m/s.

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por o fluxo de fluido em cada um dos dutos de bombeamento (30) ser de 1 a 3 m/s.