BR112012002144B1

BR112012002144B1 - Válvula de estrangulamento

Info

Publication number: BR112012002144B1
Application number: BR112012002144-3A
Authority: BR
Inventors: Max Robert Anthony Ter Haar; Zvonimir Opic; Marco Betting; Cornelis Antonie Tjeenk Willink; Swie Siang Sebastiaan Kwee
Original assignee: Twister B.V
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2020-12-15
Also published as: MY165246A; AU2009350548A1; CA2769585C; CN102575794B; US9625055B2; EP2459916B1; WO2011014059A1; BR112012002144A2; RU2012107536A; CA2769585A1; RU2507430C2; US20120285546A1; EP2459916A1; CN102575794A; AU2009350548B2

Abstract

válvula de estrangulamento afunilada a invenção refere a uma válvula de estrangulamento compreendendo uma admissão de fluido (29) e uma saída de fluido (27). a válvula de estrangulamento é disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo via uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido (29) para a saída de fluido (27). a trajetória de fluxo compreende uma pluralidade de aberturas (330) que, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento e, desta forma, um efeito de resfriamento do fluido. as aberturas (330) se alargam em um direção à jusante.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção refere-se auma válvula de estrangulamento.

Descrição do Estado da Técnica

[002]As válvulas de estrangulamentoou válvulas de controle são conhecidas a partir da técnica anterior. Estas válvulas podem ser utilizadas para controlar o fluxo de uma corrente de fluido e, possivelmente, também para ampliar os tamanhos das gotículas de líquido na corrente de fluido que escoa através de uma válvula de estrangulamento. O termo válvula de estrangulamento é utilizado para denotar válvulas para controlar um ou mais parâmetros de processos, tais como, mas não limitado a fluxo, pressão, temperatura, nível de líquido, etc..

[003] Na indústria de petróleo e gás,as válvulas de controle são utilizadas para controlar pressão, nível, temperatura e fluxo. Em alguns casos, estas válvulas de controle operam em condições de estrangulamento, uma vez que a queda de pressão suficiente tenha sido criada sobre a válvula de controle. No processamento de gás natural, esta redução de pressão sobre uma válvula faz com que a temperatura caia sem extrair calor ou trabalho de gás (ou seja, adiabática). Este tão chamado processo de aceleração é isentálpico por natureza, pois parte da energia potencial que estava disponível para trabalho termodinâmico foi dissipada dentro da válvula. Para as condições de gás reais, tal como gás natural de alta pressão, as forças intermoleculares são dominadas por forças de associação, então, o dito processo de expansão isentálpico resulta no que é conhecido como o resfriamento Joule-Thompson (JT). A diminuição da temperatura resultante é meramente devido à diminuição da energia molecular interna enquanto a entalpia permaneceu inalterada. A válvula que cria esta redução de pressão é chamada de válvula JT. O efeito de resfriamento sobre uma válvula JT pode ser utilizado para condensar uma parte do fluxo de gás natural, de modo que uma fração liquefeita e/ou solidificada possa ser separada em um recipiente. Para a maioria destes recipientes separadores, a força de acionamento é tanto forças de inércia ou de gravidade ou, em outras palavras, as massas das gotas liquefeitas determinam a eficiência da separação. Um dito Separador de Baixa Temperatura que foi precedido por uma válvula JT é geralmente chamado de um sistema JT-LTS.

[004] Por exemplo, uma válvula de globo tradicional é conhecida para serviço de controle conforme suprido por Mokveld Valves B.V., em que a corrente de fluido é acelerada sobre uma manga perfurada 23. Um corpo de válvula do tipo pistão 22 pode ser provido na manga perfurada 23 para controlar o fluxo através da manga perfurada 23. Esta válvula globo será descrita em maiores detalhes abaixo com referência à Figura 1a a 1d.

[005] A válvula de estrangulamento Mokveld convencional mostrada na Figura 1a compreende um invólucro de válvula 21 em que um corpo de válvula do tipo pistão 22 é deslizável (vide seta 8) disposta na manga perfurada associada 23 de modo que, pela rotação de uma roda de engrenagem 24 em um eixo de válvula 25, uma haste de pistão dentada 26 empurra o corpo de válvula do tipo pistão para cima e para baixo em um canal de saída de fluido 27, conforme ilustrada pela seta 28. A válvula tem um canal de admissão de fluido 29 que tem uma seção a jusante anular 29a que pode circundar o corpo da válvula 22 e/ou a manga perfurada 23 e o fluido de fluxo que é permitido para escoar a partir do canal de admissão de fluido 29 no canal de saída de fluido 27 é controlado pela posição axial do corpo de válvula do tipo pistão 22 relativo à manga perfurada associada 23.

[006]Amangaconvencional 23compreende as aberturas 30 - perfurações, ranhurasou orifícios - que têm uma orientação radial, ou seja, retangular à superfície cilíndrica da manga 23. Isto é mostrado na Figura 1b, sendo uma vista de seção transversal da manga perfurada 23.

[007]Deslocando o corpo da válvula 22na manga 23 em uma direção axial, a área de fluxo pode ser controlada.

[008]Conforme ilustrado na Figura 1c,o padrão de fluxo em uma válvula globo 23 com aberturasradiais é altamente desordenado,introduzindo, então, forças de cisalhamento elevadas fazendo com que as gotículas quebrem em gotículas menores. A Figura 1d ilustra esquematicamente o fluxo de névoa uniforme com gotículas de líquido pequenas no canal de saída de fluido 27, e ilustra que a concentração das gotículas no canal de saída de fluido 27 é substancialmente uniforme (indicada pelo sombreamento cinza uniforme).

[009]Apesar de a função principal de uma válvula JT ser controlar a taxa de fluxo, é geralmente esquecido que a segunda função é criar uma fase líquida separável. Na indústria de processamento de gás, o tamanho da gotícula médio resultando a partir de uma expansão isentálpica sobre uma válvula JT é desconhecida, então a eficiência de separação dos separadores a jusante é de uma forma ampla desconhecida. De tempos em tempos, os problemas de qualidade do gás realmente ocorrem devido à eficiência da separação sub ótima. Naqueles casos, é geralmente o ponto de orvalho de hidrocarbonetos, que permanece alto demais, que indica que especialmente gotículas de hidrocarboneto tendem a ser pequenas demais.

[0010] O documento WO2006070020 descreve uma válvula aperfeiçoada, que aumenta a eficiência da separação. Isto será discutido em mais detalhe abaixo com referência às Figuras 2a a 2d.

[0011] A válvula mostrada na Figura 2a compreende um invólucro de válvula 21 no qual um corpo de válvula do tipo pistão 22 é disposto de forma deslizável (vide seta 8) na manga perfurada associada ou gaiola 123, de modo que por rotação de uma roda de engrenagem 24 em um eixo de válvula 25, uma haste do pistão dentada 26 empurra o corpo de válvula do tipo pistão para cima e para baixo para dentro de um canal de saída de fluido 27, conforme ilustrado pela seta 28. A válvula tem um canal de admissão de fluido 29 que tem uma seção a jusante anular 29A que pode circundar o corpo da válvula 22 e/ou a manga perfurada 123 e o fluxo do fluido que é permitido escoar a partir do canal de admissão de fluido 29 para dentro do canal de saída de fluido 27 é controlado pela posição axial do corpo de válvula do tipo pistão 22 relativa à manga perfurada associada 123. Ademais, a válvula pode compreender um corpo central cônico 15 que é substancialmente coaxial a um eixo geométrico central 11 do canal de saída de fluido 27 e que gera um canal de saída 27 tendo uma área transversal aumentando gradativamente em uma direção a jusante, desta forma gerando uma desaceleração controlada da corrente de fluido no canal de saída 27 e constituindo um vértice que promove o crescimento e a coalescência das gotas ou bolhas de fluido condensado em óleo.

[0012] A Figura 2b ilustra que, na válvula de estrangulamento, a manga perfurada 123 compreende aberturas não radiais ou inclinadas 130, que são perfuradas em uma orientação tangencial parcialmente selecionada em relação a um eixo geométrico central da manga perfurada 123, de modo que o eixo geométrico longitudinal 12 de cada uma das aberturas 130 cruze o eixo geométrico central 11 em uma distância D, que está entre 0,2 e 1, preferencialmente entre 0,5 e 0,99 vezes o raio interno R da manga 123.

[0013] As aberturas inclinadas 130 criam um fluxo em redemoinho no fluxo do fluido que escoa através do canal de saída de fluido 27 conforme ilustrado pela seta 14. O movimento em redemoinho pode ser também imposto por uma geometria específica da corte da válvula e/ou haste da válvula e/ou alojamento da válvula. Na válvula de acordo com as Figuras 2a e 2b, a pressão livre disponível é utilizada para expansão adiabática para criar um fluxo em redemoinho no fluxo do fluido. Como nenhum trabalho termodinâmico é exercido sobre, ou distribuído pelo fluido de expansão com relação aos seus arredores, a dita expansão adiabática pode ser considerada como um processo isentálpico. A energia cinética é principalmente dissipada através do amortecimento do vértice ao longo de um comprimento de tubo estendido a jusante da válvula.

[0014] Conforme ilustrado na Figura 2c, o padrão de fluxo em uma válvula globo com aberturas tangenciais é ordenada e tem um movimento em redemoinho, então, reduzindo as forças de cisalhamento que podem fazer com que as gotículas quebrem em gotículas menores e promova a coalescência de gotículas/bolhas micro. A Figura 2d ilustra esquematicamente o fluxo de nevoa com pequenas gotículas de líquido concentradas no perímetro externo do canal de saída de fluido 27.

[0015] Conforme ilustrado na Figura 2d, a presença de um movimento em redemoinho na válvula de estrangulamento concentra as gotículas 18 em uma área reduzida 7A na fronteira externa (cerca de 60% da área de seção transversal total) do canal de saída de fluido 27 (concentração superior indicada pelo sombreamento mais escuro), de modo que a densidade do número de gotículas aumenta com um fator de cerca de 1,7. Ademais, a taxa de dissipação de turbulência no núcleo do vértice de é maior por causa da alta velocidade tangencial.

[0016] Será entendido que a criação de gotículas grandes de líquido (ou bolhas grandes de gás no caso de óleo ou de desgaseificação de condensado) no canal de saída 27 da válvula de estrangulamento se tornará mais fácil separar a fase líquida e gasosa em um conjunto de separação de fluido que pode ser disposto a jusante da válvula de estrangulamento. Um dito conjunto de separação de fluido subsequente pode compreender um ou mais recipientes de separação por gravidade e/ou ciclônico.

[0017]O fluido poderia ser tanto (1) uma portadora predominantemente gasosa com uma fase líquida quanto (2) uma portadora predominantemente líquida com uma fase imiscível líquida e/ou gasosa. Um exemplo de opção (1) é um processo LTS com uma válvula JT alimentada por um fluxo de gás natural com fração líquida de condensados, água e glicol.Um exemplo da opção (2) é um processo de estabilização de condensado de hidrocarboneto ou de óleo com uma válvula de estrangulamento alimentada por um fluxo de condensado ou óleo com fração líquida de água e/ou glicol e gás entranhado.

[0018]As Figuras 2c e 2d ilustram quea vantagem de criar um fluxo em redemoinho no canal externo da válvula é dupla: 1. Padrão de velocidade regular -> cisalhamento interfacial menor -> menos quebra de gotícula/bolha -> gotas maiores, e 2.Concentraçãodegotículas nacircunferência externa 7A da área de fluxo do canal externo de fluido 7 ou concentração de gotículas no centro do canal de saída de fluido 7 -> densidade denúmero maior -> coalescência aperfeiçoada -> gotas/bolhas maiores 18.

Solidificação

[0019]Resfriando uma corrente defluido em um processo (por exemplo, resfriamento de expansão, resfriamento de refrigeração, etc.), a fração condensada por (parcialmente) solidificar, por exemplo, sólidos cristalinos. Para fluidos de poço produzidos a partir de reservatórios subterrâneos, estes sólidos podem compreender hidratos de gás, graxas de óleo, asfaltenos, resinas, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, etc.

[0020] Clatrato de gás, também chamado hidrato de gás ou gelo de gás, é uma forma solida de água que contém uma grande quantidade de moléculas de gás dentro da sua estrutura de cristal. Os ditos clatratos de gás são encontrados em formações fluidas, por exemplo, óleo ou gás natural, em que alguns dos componentes de gás (por exemplo, metano, etano, propano, (iso)butano, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio) podem formar hidratos em conjunto com água em uma pressão elevada. Estes hidratos existem geralmente em formas sólidas aglomeradas que são essencialmente insolúveis no próprio fluido.

[0021] As condições termodinâmicas que favorecem a formação de hidrato de gás são encontradas geralmente em gasodutos, linhas de transferência ou outros condutos, válvulas e/ou dispositivos de segurança, recipientes, trocadores de calor, etc..Isto é altamente indesejável porque os cristais de gás podem se aglomerar e causar entupimento ou bloqueio da linha de fluxo, válvulas e instrumentação.Isto resulta no desligamento, em perda de produção, no risco de explosão e no ferimento ou liberação indesejada de hidrocarbonetos no meio ambiente, tanto em terra quanto off-shore. Consequentemente, os hidratos de gás natural são de interesse substancial, bem como uma preocupação para muitas indústrias, particularmente, indústrias de petróleo e de gás natural.

[0022] Cristais de dióxido de carbono (CO2) podem se formar quando se resfria um CO2 que contém fluido de poço a temperaturas abaixo de -60° C. Os processos que intencionalmente processam fluidos para produzir sólidos de CO2 são conhecidos a partir dos documentos WO9901706 e WO03062725.

[0023] Graxas, resinas e asfaltenos podem formar em um fluido de poço contendo óleo que seja resfriado, por exemplo, em um recipiente (ou seja, frasco) de redução de pressão.

[0024] Consequentemente, as válvulas de estrangulamento conforme descrito acima com referência às Figuras 1a a 2d são suscetíveis a tais problemas. Durante a utilização, as aberturas (inclinadas) 30, 130 podem ser bloqueadas (parcialmente) por sólidos compreendidos na corrente de fluido. Os ditos sólidos podem então tender a grudar no interior da válvula, tal como na admissão e dentro das perfurações (inclinadas) 30, 130, desta forma, bloqueando parcial ou completamente as aberturas (inclinadas) 30, 130.

Breve Descrição da Presente Invenção

[0025] É um objetivo prover uma válvula de estrangulamento que supere pelo menos um dos problemas identificados acima das aberturas que são obstruídas por sólidos, tais como hidratos.

[0026] De acordo com uma modalidade, lá é provido uma válvula de estrangulamento compreendendo uma admissão de fluido e uma saída de fluido, a válvula de estrangulamento sendo disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo por meio de uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido para a saída de fluido, a trajetória de fluxo compreendendo uma pluralidade de aberturas as quais, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento e desta forma, um efeito de resfriamento do fluido, em que as aberturas alargam em uma direção a jusante. As aberturas podem ter um ângulo divergente Φ na faixa de 10° - 50°. Também, as aberturas podem ter uma orientação ou direção axial, tangencial ou radial em relação a um eixo geométrico central. As aberturas podem ter também uma combinação de orientação ou direção tangencial e axial em relação a um eixo geométrico central.

[0027] Uma dita válvula de estrangulamento tem as vantagens de que as aberturas terão menos chance de ser bloqueadas por sólidos, devido à forma cônica das aberturas.

Breve Descrição dos Desenhos

[0028] As modalidades serão descritas agora, por meio de exemplo somente, com referência aos desenhos esquemáticos que acompanham, nos quais referências numéricas correspondentes indicam partes correspondentes, e nas quais: As Figuras 1a a 1d mostram esquematicamente uma válvula de acordo com a técnica anterior, As Figuras 2a a 2d mostram esquematicamente uma válvula adicional de acordo com a técnica anterior, As Figuras 3a a 3c mostram esquematicamente uma vista lateral de uma válvula de acordo com as modalidades, AsFiguras4aa4e mostramesquematicamente umamodalidadeadicional, AsFiguras5aa5e mostramesquematicamente umamodalidadeadicional, As Figuras 6a a 6d e 7a a 7b mostram esquematicamente modalidades adicionais, A Figura 8 retrata esquematicamente um gráfico de potência de adesão de gelo em superfícies diferentes, e AsFiguras9aac retratamesquematicamente uma modalidade adicional. Descrição Detalhada das Modalidades

[0029] Uma modalidade será descritaagora com referência às Figuras 3a e 3c, que mostram uma válvula de estrangulamento compreendendo uma admissão de fluido 29 e uma saída de fluido 27, a válvula de estrangulamento sendo disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo por meio de uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido 29 para a saída de fluido 27, a trajetória de fluxo compreendendo uma pluralidade de aberturas 330 as quais, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento e desta forma, um efeito de resfriamento do fluido, em que as aberturas 330 se alargam em uma direção a jusante.

[0030] A redução da pressão (expansão)e o resfriamento resultam em condensação e então, as gotículas de líquido estão sendo formadas durante a expansão ao longo da trajetória de fluxo da válvula. A válvula de estrangulamento utiliza a pressão livre disponível para expansão isentálpica e, em algumas modalidades, para criar um fluxo em redemoinho na corrente de fluido.

[0031] A direção a jusante pode ser definida como a direção de fluxo em utilização através das aberturas 330 na direção do canal de saída do fluido 27. De fato, conforme será explicado em mais detalhes abaixo, o eixo geométrico longitudinal que define a orientação das aberturas de alargamento 330 pode ter qualquer orientação adequada, conforme será explicado em mais detalhes abaixo com referência às Figuras 4 a 7.

[0032] De acordo com uma modalidade, as aberturas (330) têm um ângulo divergente Φ na faixa de 10° a 50°. As considerações para escolher um ângulo adequado serão explicadas em mais detalhes adicionais abaixo.

[0033] Então, a válvula de estrangulamento pode compreender um invólucro de válvula 21 e uma manga perfurada 323, a manga perfurada 323 compreendendo a pluralidade de aberturas 330.

[0034] Conforme mostrado na Figura 3a, a direção do fluxo pode ser escolhida de modo que o fluido escoe a partir do exterior da manga perfurada 323 até o interior da manga perfurada 323. No entanto, de acordo com uma alternativa mostrada na Figura 3b, a válvula de estrangulamento pode ser utilizada em uma direção revertida, ou seja, o fluido pode escoar a partir do interior da manga perfurada 323 até o exterior da manga perfurada 323. A Figura 3c retrata esquematicamente uma abertura 330, em que uma seta DD retrata esquematicamente a direção a jusante para 3a ou 3b.

[0035] A válvula de estrangulamento pode adicionalmente compreender um corpo de válvula do tipo pistão 22, o corpo de válvula do tipo pistão 22 sendo disposto de maneira deslizável com relação à dita luva perfurada 323, para controlar o fluxo da corrente de fluido através das aberturas 330.

[0036] O corpo de válvula do tipo pistão 22 e a manga perfurada 323 podem ser dispostos de acordo com as modalidades descritas com referência às Figuras 1a a 1d e 2a a 2d. A manga perfurada 323 pode ter uma forma de cilindro, com um eixo geométrico do corpo ao longo do eixo geométrico longitudinal 11. As aberturas 330 podem ser formadas por perfurações espaçadas de maneira circunferencial da manga 323. O corpo de válvula do tipo pistão 22 pode ter uma forma de cilindro que corresponde ao interior da manga perfurada 323 e pode ser posicionado dentro da manga 323, de modo que uma superfície externa do corpo de válvula do tipo pistão 22 sobressai ou está relativamente próxima de uma superfície interior da manga perfurada 323. Ademais, o corpo de válvula do tipo pistão 22 pode ser estendido com um corpo central cônico 15 que deflete a corrente de fluido que sai das aberturas da manga perfurada 323.

[0037] Além disso, a válvula tem um canal de admissão de fluido 29 que tem uma seção a jusante anular 29a que pode circundar o corpo de válvula do tipo pistão 22 e/ou manga perfurada 123 e a corrente de fluido que é permitida escoar a partir do canal de admissão de fluido 29 para dentro do canal de saída de fluido 27 é controlada pela posição axial do corpo de válvula do tipo pistão 22relativo à manga perfurada associada 123.

[0038] É observado que outros tipos de válvulas de estrangulamento, Joule-Thomson ou outras válvulas do tipo de estrangulamento e/ou de obstrução podem ser utilizadas também, tal como uma válvula de estrangulamento na qual o corpo de válvula do tipo pistão 22 é substituído por um componente que seja disposto de maneira deslizável no exterior da manga perfurada 323. Naquele caso, o corpo de válvula do tipo pistão 22 pode compreender uma parede interna em forma de cilindro que combina com o modelo e forma da parede exterior da manga perfurada 123.

[0039] O corpo de válvula do tipo pistão 22 não compreende aberturas ou similares e pode então ser utilizado para bloquear fluido que escoa a partir do canal de admissão de fluido 29 até o canal de saída de fluido 27. Em uso, o fluido escoa a partir do canal de admissão de fluido 29 para dentro do canal de saída de fluido 27 via uma parte da pluralidade de aberturas 330. Mudando a posição relativa do corpo de válvula do tipo pistão 22 e da manga perfurada 323, menos ou mais aberturas 330 estão presentes entre o canal de admissão de fluido 29 e o canal de saída de fluido 27 permitindo a passagem de fluido. O número de aberturas 330 pode variar entre uma quantidade mínima de zero, associada com uma posição fechada completamente, até uma quantidade máxima, associada com uma posição completamente aberta da válvula de estrangulamento.

[0040] Conforme descrito, as aberturas 330 alargam em uma direção a jusante. Isto significa que as aberturas 330 têm uma entrada 301 em um lado à montante com uma primeira área de seção transversal A1 e uma saída 302 em um lado a jusante com uma segunda área de seção cruzada A2, em que a primeira área de seção transversal A1 é substancialmente menor do que a segunda área de seção transversal A2: A1<A2. A primeira área de seção transversal A1 pode, por exemplo, ser menor do que 75% da segunda área de seção transversal A2. Conforme explicado acima, a direção a jusante pode ser a partir do exterior até o interior da manga perfurada 323, ou vice-versa.

[0041] As aberturas 330 podem ser uma área de seção transversal substancialmente redonda. No entanto, outras formas adequadas podem ser concebidas também, tal como uma área de seção transversal retangular.

[0042] As aberturas de alargamento 330 têm a vantagem de que os hidratos não ficarão presos na abertura 330, ou seja, as aberturas 330 têm uma forma de autoexpulsão. Isto será explicado em mais detalhes abaixo.

Interface sólido-sólido

[0043] Conforme explicado abaixo, os hidratos tendem a grudar nas paredes internas das aberturas 330 como resultado das forças de adesão e das forças de atrito. A resistência de adesão (Ps) entre as superfícies sólidas é determinada pelas energias interfaciais entre estas superfícies, bem como o revestimento da superfície (suave/áspero).

[0044] A manga perfurada 323 é, por exemplo, feita de aços de alta liga, tal como aços duplex ou Cr ou metais como Titânio ou Tungstênio ou um material cerâmico. Portanto, uma resistência de adesão máxima entre um hidrato e uma superfície de aço de liga é assumido como Ps = 12,105 N/m2. As indicações das resistências de adesão podem ser, por exemplo, encontrados em “Propriedades adesivas de hidratos e gelo de gás” de Bondarev E.A., Groisman A.G. e Savvin A.Z. 1996 (Durante a 2a Conferência Internacional sobre hidratos de gás natural)”.

[0045] Ademais, a superfície interior da manga perfurada 323 pode ser revestida com um material adequado que repele gelo e/ou água. Testes com superfícies revestidas e não revestidas diferentes foram desenvolvidos mostrando uma relação inequívoca entre a resistência de adesão (superfície de gelo) e a histerese do ângulo de contato de água na dita superfície. A dita relação empírica é mostrada na Figura 8, mostrando uma resistência de adesão de gelo de uma superfície selecionada como uma função da umectação de superfície.

[0046] Todos os pontos na Figura 8 representam superfícies de uma composição de material específico e uma topologia de superfície específica. A histerese de ângulo de contato é definida como a diferença do ângulo de contato de água de avanço e do ângulo de contato de água de recuo. O gráfico mostra que a resistência de adesão do gelo de água reduz quando a histerese de ângulo de contato de água diminui.

Ângulo de divergência

[0047] A fim de minimizar as forças de atrito estáticas entre a superfície interior das aberturas 330 e possivelmente hidratos nas aberturas, bem como para permitir a liberação de hidratos a partir de uma abertura, modalidades são providas, nas quais a forma das aberturas são cônicas de maneira divergente em uma direção a jusante ou, em outras palavras, em que as aberturas 330 se alargam em uma direção a jusante DD. Um exemplo de uma dita abertura 330 é mostrado em detalhes na Figura 3c. A abertura 330 tem uma altura h em uma direção a jusante e um ângulo divergente Φ que é tipicamente de 10°. A abertura 330 tem uma entrada 301 com um tamanho típico d.

[0048]Abaixo é provida uma primeiraaproximação de ordem da física envolvida.

[0049] Para uma dada aplicação, umadeterminada pressão diferencial mínima Pd é determinada. Se uma abertura 330 se torna completamente bloqueada com hidratos, uma força Fd = Pd.A1 em uma direção normal para a seção transversal da abertura age naquele hidrato, em que A1 é a área de seção cruzada da entrada da abertura 330.

[0050]Damesmamaneira, umadeterminada força de adesão entre a parede interna e o hidrato se aplica: Fs = Ps.As, em que As é asuperfície interna da abertura. A partir de Bondarev et al. é conhecido que, para as superfícies de aço de liga, a resistência de adesão máxima (Ps) entre o hidrato de gás e a dita superfície pode ser assumida como 12,105 N/m2 (= 12 bar).

[0051] Finalmente, as forças de atrito(Ff) são determinadas com a força normal (FN) com relação à superfície interna da abertura As e o fator de atrito (f) entre as duas superfícies solidas de modo que Ff=f.FN. A força normal FN é proporcional a: 1.a força diferencial de pressãoFd, 2.a razão de Poisson do hidrato de gás (ou qualquer outro sólido sob consideração), 3.a razão da seção transversal da aberturaA1/A2.

[0052]Como as duas primeiras variáveissão dadas com a aplicação do processo sob consideração, somente a razão A1/A2 é uma variável de projeto independente a qual, junto com a altura da abertura h, determina o ângulo de divergência Φ. Quanto maior for a área de seção transversal na saída da abertura (A2), maior será a deformação do volume do hidrato na direção do eixo geométrico longitudinal da abertura 12, e então, menor a tensão de compressão (PN) na direção radial (abertura cilíndrica) ou na direção transversal (abertura retangular).

[0053] Os critérios de projeto para aabertura 330 agora se tornam: Fd > FS+FN, ou seja, a soma da força de adesão Fs e da força normal FN deve ser menor do que a força de pressão Fd, de modo que o hidrato seja empurrado para fora da abertura 330.

[0054] O acima descrito é uma primeiraaproximação de ordem da física que está envolvida. No entanto, a primeira aproximação de ordem acima mostra que é vantajoso prover aberturas cônicas 330, com um ângulo de divergência determinado Φ, ou seja, na faixa de 10 a 50°.

[0055] Para as aberturas 330 tendo umaseção transversal circular com um diâmetro d, o seguinte se aplica:

[0056]Da mesma forma, para asaberturas 330 tendo uma seção transversal retangular com um comprimento 1 e largura w, o seguinte se aplica:

[0057] A fim de reduzir as forças de atrito (Ff), é preferido polir a superfície interior da abertura até uma rugosidade média de Ra < 2 mícrons ou Ra < 0,6 mícrons.

[0058] Então, de acordo com uma modalidade, a superfície interior das aberturas 330, 330’, 330’’, 330’’’, 330’’’’ tem uma rugosidade de superfície média (Ra) abaixo de 2 mícrons.

[0059] De acordo com uma modalidade, a superfície interna As das aberturas 330 exerce uma histerese de ângulo de contato de água abaixo de 25°, ou seja, para reduzir a força de adesão Fs entre a superfície sólida e a superfície interior da abertura, um material pode ser escolhido exercendo uma diferença entre o ângulo de contato de água avanço e de recuo de < 25° ou menor do que 15°.

[0060] A fim de evitar o acúmulo de deposição de hidrato, as superfícies internas das aberturas podem ser revestidas com um revestimento antigelo. Um revestimento antigelo adequado poderia ser um diamante fluorado como carbono (F-DLC). É necessário que a rugosidade da superfície do dito revestimento (e a superfície subjacente) seja menor do que 0,05 micrometros em todas as direções apesar de mais preferencialmente menor do que 0,02 micrometros em todas as direções. Qualquer camada de revestimento (por exemplo, cerâmica, carbono tipo diamante, elastômeros, polímeros) pode ser adequada desde que o ângulo de contato de água estático na dita superfície seja maior do que 90° ou mais preferencialmente maior do que 110°, enquanto mantém uma diferença entre o ângulo de contato de água de avanço e o ângulo de contato de água de recuo na dita superfície (ou seja, a histerese) de menos do que 25°, mas mais preferencialmente menos do que 15°.

[0061] Então, a superfície interiorpode ser revestida como uma camada de Carbono do tipo Diamante, com uma espessura de camada de menos do que 3 mícrons.

[0062]Osditosmateriais podemcompreender revestimentos de Carbono do tipo Diamante primeiramente consistindo de ligações de carbono policristalinos.De acordo com uma modalidade, a camada de Carbono do tipo Diamante compreende uma ou mais das ligações de Carbono- Flúor, Carbono-Silício, Carbono-Oxigênio, Carbono- Hidrogênio. Então, o revestimento do tipo Diamante pode compreender ligações de carbono com um dos seguintes átomos, Flúor (F), Silício (S), Oxigênio (O) e/ou Hidrogênio (H). Os ditos revestimentos do tipo Diamante podem ser aplicados sobre o material (ou seja, aço de liga) com uma espessura de camada de mais do que 3 mícrons ou, mais preferencialmente, de mais do que 6 mícrons.

Abertura radial

[0063] De acordo com as modalidadesretratadas esquematicamente nas Figuras 4a a 4e, lá são providas uma válvula de estrangulamento, em que as aberturas 330’ têm uma orientação radial substancial em relação a um eixo geométrico central da manga perfurada 323. Então, as aberturas 330’ são retangulares substanciais à superfície cilíndrica da manga 323. Um exemplo deste é mostrado na Figura 4a.

[0064] Uma vista mais detalhada é mostrada na Figura 4b, em que é mostrado que a entrada 301 é substancialmente menor do que a saída 302. As paredes internas das aberturas 330’ podem estar em um ângulo de divergência Φ, conforme definido acima, criando uma abertura de alargamento na direção a jusante. A Figura 4c mostra uma vista superior da manga perfurada 323 mostrando somente uma abertura 330’ por meio de exemplo.

[0065] Conforme pode ser visto, os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’ vão substanciais através do eixo geométrico central 11, ou seja, em uma distância (não mostrada), que está entre 0 e 0,1 vezes o raio interno R da manga 323. O eixo geométrico longitudinal 12 está em uma direção que divide igualmente o ângulo de divergência Φ (bissetor).

[0066] As Figuras 4d a 4e retratam esquematicamente outro exemplo, no qual a direção a jusante é escolhida de dentro da manga perfurada 323 até o exterior da manga perfurada 323. Conforme pode ser visto na vista superior da manga perfurada 323, a abertura 330’ é maior no exterior da manga perfurada 323 do que no interior da manga perfurada 323.

Abertura Tangencial

[0067] De acordo com uma modalidade adicional, lá é provida uma válvula de estrangulamento, em que os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’’ têm um componente tangencial substancial relativo a um eixo geométrico central da manga perfurada 323. Um exemplo é mostrado na Figura 5a.

[0068] As aberturas 330’’ formam meio de transmissão em redemoinho que impõe um movimento em redemoinho sobre a corrente de fluido que escoa através do canal de saída de fluido 27, em que os meios de transmissão em redemoinho são orientados de modo que a corrente de fluido gira ao redor de um eixo geométrico longitudinal 11 do canal de saída de fluido 27 desta forma induzindo as gotículas de líquido para girar na direção da periferia externa do canal de saída de fluido 27 e para coalescer. Este efeito está explicado em mais detalhes acima com referência às Figuras 2a a 2d.

[0069] Uma vista mais detalhada é mostrada nas Figuras 5b e 5c, em que é mostrado que a entrada 301 é substancialmente menor do que a saída 302, desta forma criando uma abertura de alargamento na direção a jusante. Na Figura 5c, o canal de saída de fluido 27 e o canal de admissão de fluido 29 são indicados, juntos com setas indicando a direção do fluxo. As paredes internas das aberturas 330’’ podem estar em um ângulo de divergência Φ, que pode ser conforme definido acima. Novamente, o eixo geométrico longitudinal 12 é definido como o bissetor do ângulo de divergência Φ.

[0070] Então, os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’’ através do eixo geométrico central 11 em uma distância D, que está entre 0,2 e 1, preferencialmente entre 0,5 e 0,99 vezes o raio interno R da manga 323. Isto é similar ao exemplo provido com referência às Figuras 2a a 2d, apesar de as aberturas 330’’ estarem agora alargadas ou cônicas.

[0071] As paredes internas das aberturas 330’’ podem, por exemplo, estar em uma seção cônica obliqua, ou seja, no caso de as aberturas redondas 330’’ serem providas.

[0072] As Figuras 5d e 5e retratamesquematicamente outro exemplo, em que a direção a jusante é escolhida a partir de dentro da manga perfurada 323 até o exterior da manga perfurada 323. Esta modalidade combina as vantagens das aberturas de alargamento (forma de autoexpulsão) com as vantagens de adicionar redemoinho ao fluxo. Abertura axial

[0073]De acordo com as modalidades, láé provida uma válvula de estrangulamento, em que os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’’’ têm um componente axial substancial relativo a um eixo geométrico central da manga perfurada 323. Exemplos disso são mostrados nas Figuras 6a a 6d. As Figuras6e 6c mostramuma vista lateralda manga perfurada de acordo com estas modalidades. No exemploda Figura 6a, adireção a jusante éapartir do exterior até o interior da manga perfurada 323, no exemplo da Figura 6c, a direção a jusante é a partir do interior até o exterior da manga perfurada 323. As Figuras 6b e 6d mostram a vista superior da manga perfurada 323 correspondente às Figuras 6a e 6c, respectivamente.

[0074]Asaberturas orientadasaxialmente 330’’’ têm a vantagem de que menos erosão é gerada pelo fluxo, como os aerodinâmicos na medida em que saem das aberturas orientadas axialmente (ou seja, o efluxo) contém um ângulo menor com objetos que eles podem encontrar, tais como uma superfície exterior do corpo de válvula do tipo pistão 22 (caso o fluxo seja a partir do exterior até o interior da manga perfurada 323) ou uma superfície interna do alojamento da válvula 21 (caso o fluxo seja a partir do interior até o exterior da manga perfurada 323). Consequentemente, o ângulo de impacto dos materiais sólidos que são transportados pela corrente de fluido pelo advecção é reduzido.Este ângulo de impacto reduzido resulta em menos erosão se a dita superfície oposta é endurecida tipicamente > 1200 Vickers. Os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’’’ podem ter uma orientação em que eles cruzam o eixo geométrico central 11 da válvula de estrangulamento em um ângulo α que está na faixa de 20°< α < 70°, preferencialmente na faixa de 20° < α < 30°.

[0075] As paredes internas das aberturas 330’’’ estão em um ângulo de divergência Φ, que podem ser definidas conforme acima.

Abertura tangencial e axial

[0076] De acordo com as modalidades, lá são providas uma válvula de estrangulamento, em que os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 330’’’’ têm um componente substancialmente tangencial relativo a um eixo geométrico central da manga perfurada 323 e um componente axial substancial relativo a um eixo geométrico central da manga perfurada 323.

[0077] Exemplos das ditas aberturas são providos nas Figuras 7a e 7b, as duas mostrando uma vista superior da manga perfurada 323 com somente uma abertura 330’’’’ por meio de exemplo.

[0078] No exemplo da Figura 7a, a direção a jusante é a partir do exterior até o interior da manga perfurada 323. No exemplo da Figura 7b, a direção a jusante é a partir do interior até o exterior da manga perfurada 323. Nos dois exemplos, as aberturas 330’’’’ se alargam na direção a jusante.

[0079]Oseixos geométricoslongitudinais 12 das aberturas 330’’’’ podem ter uma orientação em que eles cruzam o eixo geométrico central 11 da válvula de estrangulamento em um ângulo na faixa de 20° a 70°, preferencialmente na faixa de 20° a 30°. Novamente, o ângulo de divergência Φ das aberturas 330’’’’ é conforme definido acima.

[0080] Isto provê uma válvula deestrangulamento combinando as vantagens das duas modalidadesaxiale tangencialprovidas acima.

Operação defluxoreverso

[0081] Todas as configurações deválvula cônicas mencionadas acima podemser operadas em dois modos de fluxo. Isto significa que as aberturas podem se alargarparadentroa partir do exterior até o interior ou a partir do interior até o exterior. Essa última opção pode ser favorável quando uma velocidade de saída inferior do fluido é necessária (por exemplo, por erosão). Modalidades adicionais

[0082]É observado que prover aberturascom um componente axial (opcionalmente também com um componente tangencial) pode também ser utilizado sem o aspecto de que as aberturas se alargam em uma direção a jusante. Será entendido que estas modalidades podem ser combinadas com todos os aspectos e detalhes das modalidades providas acima.

[0083] Exemplos são mostrados nasFiguras 9aa 9c.

[0084] De acordo com uma modalidade, lá é provida uma válvula de estrangulamento, compreendendo uma admissão de fluido 29 e uma saída de fluido 27, a válvula de estrangulamento sendo disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo por meio de uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido 29 para a saída de fluido 27, a trajetória de fluxo compreendendo uma pluralidade de aberturas 430 as quais, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento e desta forma, um efeito do fluido, em que os eixos longitudinais 12 das aberturas 430 têm um componente axial substancial relativo a um eixo geométrico central 11 da válvula de estrangulamento. Será entendido que estas modalidades podem ser combinadas com todos os aspectos e detalhes das modalidades providas acima.

[0085] Um exemplo é mostrado nas Figuras 9a a 9b.

[0086] A Figura 9a mostra uma vista lateral da manga perfurada de acordo com esta modalidade. No exemplo da Figura 9a, a direção a jusante pode ser a partir do exterior até o interior da manga perfurada ou a partir de dentro até o exterior da manga perfurada, conforme indicado pelas setas duplas.

[0087] A Figura 9b mostra uma vista superior da manga perfurada em que é mostrado que os eixos geométricos longitudinais das aberturas 430 têm um componente substancialmente axial relativo a um eixo geométrico central 11 da manga perfurada e/ou da válvula de estrangulamento.

[0088] Os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 430 podem ter uma orientação em que eles cruzam o eixo geométrico central 11 da válvula de estrangulamento em um ângulo α que está na faixa de 20° < α < 70°, preferencialmente na faixa de 20° < α < 30°.

[0089] As aberturas orientadas axialmente 430 têm a vantagem de que menos erosão é gerada pelo fluxo, na medida em que as aerodinâmicas contêm um ângulo menor com a superfície de parede tubular da manga perfurada, então, reduzindo o ângulo de impacto dos materiais sólidos que são transportados pela corrente de fluido por advecção.

[0090] De acordo com uma modalidade adicional é provida uma válvula de estrangulamento compreendendo uma admissão de fluido 29 e uma saída de fluido 27, a válvula de estrangulamento sendo disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo via uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido 29 para a saída de fluido 27, a trajetória de fluxo compreendendo uma pluralidade de aberturas 430 as quais, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento e desta forma, um efeito de resfriamento do fluido, em que os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 430 têm um componente de axial substancial até um eixo geométrico central 11 da válvula de estrangulamento e os eixos geométricos longitudinais 12 das aberturas 430 têm um componente tangencial substancial relativo ao eixo geométrico central da válvula de estrangulamento.

[0091] Um exemplo é mostrado na Figura 9c. Esta modalidade combina as vantagens da modalidade descrita acima com referência às Figuras 9a e 9b com o aspecto de adicionar um redemoinho à corrente de fluido, permitindo a separação de componentes.

Observações adicionais

[0092] Ficará aparente para a pessoa versada na técnica que outras modalidades alternativas e equivalentes da invenção podem ser concebidas e reduzidas para a prática sem se afastar do espírito da invenção.

Claims

1.Válvula de estrangulamento, compreendendo uma admissão de fluido (29) e uma saída de fluido (27), a válvula de estrangulamento sendo disposta para controlar um fluxo de uma corrente de fluido fluindo por meio de uma trajetória de fluxo a partir da admissão de fluido (29) para a saída de fluido (27), caracterizada pelo fato de que a trajetória de fluxo compreende uma pluralidade de aberturas (330) que, em uso, criam uma redução de pressão sobre a válvula de estrangulamento, em que as aberturas (330) são dispostas em uma manga perfurada (323), em que as aberturas (330) se alargam em uma direção a jusante e em que os eixos geométricos longitudinais (12) das aberturas (330’’’’) têm um componente substancialmente tangencial relativo a uma circunferência da manga perfurada (323) e um componente substancialmente axial relativo a um eixo geométrico central da manga perfurada (323).

2.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as aberturas (330) têm um ângulo divergente Φ na faixa de 10° a 50°.

3.Válvula de estrangulamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada por compreender um alojamento de válvula (21).

4.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a válvula de estrangulamento adicionalmente compreende um corpo de válvula do tipo pistão (22), o corpo de válvula do tipo pistão (22) sendo disposto de forma deslizante com relação à manga perfurada (323), para controlar o fluxo da corrente de fluido através das aberturas (330).

5.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que as aberturas (330’) têm uma orientação substancialmente radial em relação a um eixo geométrico central da manga perfurada (3).

6.Válvula de estrangulamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o componente axial dos eixos geométricos longitudinais (12) está em um ângulo α com relação a um eixo geométrico central (11) da válvula de estrangulamento que está na faixa de 20° < α < 70°, ou na faixa de 20° < α < 30°.

7.Válvula de estrangulamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a superfície interior das aberturas (330, 330’, 330’’, 330’’’, 330’’’’) tendo uma rugosidade de superfície média (Ra) abaixo de 2 mícrons.

8.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a superfície interior das aberturas (330, 330’, 330’’, 330’’’, 330’’’’) exercem uma histerese de ângulo de contato com água abaixo de 25°.

9.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a superfície interior é revestida com uma camada de Carbono tipo Diamante com uma espessura de camada de mais do que 3 mícrons.

10.Válvula de estrangulamento, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a camada de Carbono do tipo Diamante compreende uma ou mais dentre as ligações Carbono-Flúor, Carbono-Silício, Carbono-Oxigênio, Carbono- Hidrogênio.

11.Método para controlar o fluxo de uma corrente de fluido, o método sendo caracterizado por compreender: -prover uma corrente de fluido para uma admissão de fluido de uma válvula de estrangulamento, -operar a válvula de estrangulamento para controlar o fluxo da corrente de fluido, em que a válvula de estrangulamento é uma válvula de estrangulamento do tipo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.