“DIFUSOR, SEPARADOR E MÉTODO PARA SEPARAR UMA MISTURA FLUENTE” [001] A invenção refere-se a um difusor com ventoinha para separar uma mistura fluente de gás/líquido/material particulado em, essencialmente, uma fração de fase de gás e uma fração de fase de líquido/material particulado compreendendo: uma câmara de distribuição alojando uma pluralidade de ventoinhas curvadas trespassando as paredes laterais da câmara de distribuição, as paredes laterais sendo proporcionadas com passagens entre as ventoinhas curvadas conectando o interior da câmara de distribuição com o lado de fora; e uma entrada para a mistura de gás/líquido/material particulado conectado a câmara de distribuição. A invenção também se refere a um método para introduzir uma mistura de gás/líquido/material particulado em um separador.
[002] Difusores com ventoinhas são conhecidos no campo de tecnologia de extração de hidrocarbonetos (óleo e gás). Para o processamento adicional de fluxos de gás volumosos contendo líquidos (por exemplo, óleo e água) e/ou material sólido particulado (por exemplo, areia), fases diferentes são separadas, uma a partir da outra. A separação é realizada em várias etapas das quais no início do processo de separação uma etapa bruta de separação é realizada levando a mistura de gás/líquido/material particulado para um separador de grande tamanho (recipiente) que pode ser posicionado de forma horizontal ou vertical. No contexto da presente invenção uma mistura fluente de gás/líquido/material é considerada como sendo um fluxo de gás contendo pelo menos um dos seguintes: partícula líquida ou material sólido particulado. Todavia, normalmente, a mistura de gás/líquido/material particulado a ser processada contém ambos: partícula líquida e material sólido particulado.
[003] O processo de separação inicial no separador é realizado por meio de gravidade. Grandes gotículas e partículas cairão em um reservatório na parte inferior do separador e o gás com as gotículas (menores) remanescentes e as partículas sólidas menores fluirá em um sentido para cima no separador para uma assim chamada “zona de calmaria” ou “zona de assentamento”. A partir da zona de calmaria gotículas e partículas adicionais cairão ou fluirão para baixo ao longo da parede do separador. O líquido e as partículas no reservatório na parte inferior do separador serão extraídos via uma saída de fração pesada localizada na parte inferior do separador enquanto o gás (incluindo as gotículas e as partículas ainda remanescentes) será extraído sobre a parte superior a partir do separador. Ambas as frações de material (bruscamente separadas) são normalmente adicionalmente processadas em processos de separação subseqüentes e mais completos. Também é possível que um ou mais de tais processos de separação subseqüentes também ocorram no separador (por exemplo, por meio da incorporação de um misturador na parte superior do separador). A mistura de gás/líquido/material particulado seja normalmente introduzida, mais ou menos, no meio do separador através de um conduto de entrada. Para distribuir o fluxo de gás/líquido/material particulado igualmente por toda a seção transversal do separador, se faz uso de divisores de fluxo como “placas abafadoras” e “difusores com ventoinhas”. Os divisores da técnica anterior funcionam bem, mas, todavia, são limitados na sua capacidade; conforme nos separadores do tipo introdutoriamente revelado, a capacidade dos divisores de fluxo são os gargalos. Quando um divisor de fluxo é sobrecarregado, as taxas de fluxo máximas permitidas de gás são excedidas resultando em volumes significativos de líquido e de partículas sendo levados para cima para a zona superior do separador.
[004] Um objetivo geral da invenção é o de proporcionar difusores com ventoinhas e um método para introduzir uma mistura de gás/líquido/material particulado em um separador para uma pré-separação eficiente da mistura de gás/líquido/material particulado em, essencialmente, uma fração leve contendo essencialmente gás e em, essencialmente, uma fração mais pesada contendo essencialmente um líquido e partículas com uma eficiência de separação mais alta do que na técnica de difusores da técnica anterior por meio de intensificar a carga máxima (capacidade máxima) do difusor antes do mesmo ser sobrecarregado.
[005] A presente invenção proporciona um difusor com ventoinhas do tipo introdutoriamente declarado caracterizado pelo fato que tal difusor com ventoinha também compreende um pré-separador ciclone localizado entre a entrada da mistura de gás/líquido/material particulado e a câmara de distribuição, o qual pré-separador ciclone compreende: um alojamento de ciclone a montante conectado a entrada para a mistura de gás/líquido/material particulado; um elemento de redemoinhar para a rotação da mistura fluente de gás/líquido/material particulado sendo localizada no alojamento de ciclone a jusante da entrada para a mistura de gás/líquido/material particulado; uma saída de fase de gás aberta para a câmara de distribuição conectada a zona externa do alojamento de ciclone a jusante do elemento de redemoinhar.
[006] A pré-separação da única mistura fluente de gás/líquido/material particulado no pré-separador ciclone em duas frações de material diferentes localizada em uma zona central e uma zona anular externa é realizada por meio de uma separação centrífuga, resultando em uma fração mais leve contendo menos líquido e partículas do que a mistura de gás/líquido/material particulado originalmente alimentado e uma fração de fase mais pesada de líquido/material particulado. Agora a fração mais leve contendo menos líquido e partículas do que a mistura de gás/líquido/material particulado originalmente alimentado flui na câmara de distribuição e é, assim sendo, processada adicionalmente pelas ventoinhas que reduzem a velocidade do fluxo antes que a mistura pré-separada entre em um tanque/recipiente.
[007] Isto é realizado por meio do desvio da direção da mistura pré-separada do fluxo de entrada por meio das ventoinhas (normalmente cerca de 90 graus em duas direções horizontais). Como o difusor com ventoinha é agora proporcionado com um pré-separador ciclone, uma parte das frações mais pesadas (líquido e/ou partículas) será removida a partir da mistura de gás/líquido/material particulado antes da difusão de ventoinhas verdadeiramente começar; a mistura de gás/líquido/material particulado pré-separada entrando na câmara de distribuição é mais leve do que quando originalmente não era pré-separada, de acordo com a técnica anterior.
[008] Uma vez que a mistura de gás/líquido/material particulado pré-separada é mais leve, o volume máximo que a câmara de distribuição mantendo as ventoinhas curvadas pode manusear antes de ser sobrecarregada aumenta. O aumento da capacidade é ainda maior do que este aumento do volume máximo para ser manuseado apenas por meio da câmara de distribuição. A capacidade adicional do difusor com ventoinha de acordo com a presente invenção também inclui a parte (relativamente pesada) da mistura fluente de gás/líquido/material particulado que é removida no primeiro pré-separador ciclone.
[009] Outra vantagem do difusor com ventoinha de acordo com a invenção é que o nível de separação (qualidade de separação ou eficiência de separação) também aumenta. Entre outros, isto é um resultado do efeito que as dimensões em média das partículas líquidas ainda não pré-separadas no pré-separador ciclone aumentarão durante a pré-separação e são, assim sendo, mais fáceis e/ou melhores de separar durante a etapa de difusão com ventoinhas. A separação intensificada também acarreta em um risco reduzido de sobrecarga em qualquer meio de separação subseqüente após a jusante (por exemplo, um desmistificador ou um misturador). Todas estas vantagens são proporcionadas com uma solução de construção simples que raramente requer qualquer manutenção adicional.
[010] Em uma realização preferida, a saída de fase líquida do pré-separador ciclone é conectada com um dreno que a leva se distanciando a partir do difusor com ventoinha, preferivelmente em um sentido para baixo para um reservatório na parte inferior do recipiente no qual o difusor com ventoinha é localizado. Assim sendo, o dreno (ou “direcionador para baixo”) descarrega a fração mais pesada pré-separada de líquido/material particulado se distanciando a partir da localização onde aqui a separação gravitacional do difusor com ventoinhas ocorre. A fração se distanciando não está influenciando (perturbando) o processo de separação gravitacional do difusor com ventoinha, algo que devido a esta razão também aumenta a eficiência.
[011] Em uma realização específica um elemento contra redemoinhar é localizado entre a saída da fase de gás do pré-separador e a câmara de distribuição. Tal elemento contra redemoinhar realiza um aperfeiçoamento na distribuição igual da fração mais leve contendo menos líquido e partículas do que a mistura de gás/líquido/material particulado originalmente alimentado que deixa o pré-separador ciclone antes de entrar na câmara de distribuição. Também é algo benéfico na limitação da queda de pressão sobre o difusor com ventoinha de acordo com a invenção.
[012] Aperfeiçoamentos adicionais podem ser realizados no caso da câmara de distribuição e do alojamento de ciclone ser combinados em uma única construção. Uma única construção é fácil de fixar e de retirar e também reduz os riscos de vazamento entre a saída de fase de gás do pré-separador ciclone e a câmara de distribuição. Isto também permite uma construção compacta do difusor com ventoinha de acordo com a invenção.
[013] Os lados das ventoinhas curvadas remota a partir da câmara de distribuição são direcionados se distanciando a partir da câmara de distribuição, por exemplo, de forma radial, retangular em relação à direção axial da câmara de distribuição ou em qualquer outra maneira. Normalmente se faz uso de ventoinhas paralelas. Tal geometria proporcionou uma distribuição efetiva e eficiente da mistura a ser separada por meio da gravidade.
[014] A invenção também compreende um separador para separar uma mistura fluente de gás/líquido/material particulado em, essencialmente, uma fração de fase de gás e uma fração de fase de líquido/material particulado, compreendendo: um recipiente, essencialmente, com uma saída de fase de gás sobre o lado superior e, essencialmente, uma saída de fase de líquido/material particulado sobre o lado inferior; e um difusor com ventoinha conforme anteriormente revelado, localizado entre o lado superior e o lado inferior do recipiente. Normalmente, o recipiente compreende uma zona de assentamento entre o difusor com ventoinha e a saída de fase de gás sobre o lado superior.
[015] Em uma realização alternativa o recipiente compreende um misturador adicional na parte superior do recipiente. Tal separador proporciona as vantagens conforme já indicadas em relação ao difusor com ventoinha de acordo com a presente invenção. Também, os separadores da técnica anterior são simplesmente convertidos ao separador da presente invenção por meio da retirada do difusor com ventoinha da técnica anterior e trocando-o pelo difusor com ventoinha presente. Tal conversão é relativamente simples para se realizar e requer investimentos limitados.
[016] Adicionalmente, a invenção também se refere a um método para a separação de uma mistura fluente de gás/líquido/material particulado em essencialmente uma fração de fase de gás e uma fração de fase de líquido/material particulado compreendendo as etapas de: A) alimentar uma mistura de gás/líquido/material particulado em um pré-separador ciclone; B) pré-separar a mistura de gás/líquido/material particulado por meio de força centrífuga em uma fração pré-separada mais pesada de essencialmente líquido/material particulado e uma fração pré-separada mais leve de gás, líquido, material particulado; C) levar a fração pré-separada mais pesada de essencialmente líquido/material particulado de acordo com a etapa B) se distanciando para um reservatório; D) alimentar a mistura pré-separada de gás/líquido/material particulado em um subseqüente difusor com ventoinha; e E) separar subseqüentemente a fração pré-separada de gás/líquido/material particulado por meio de força gravitacional. É adicionalmente vantajoso quando as formas resultantes das frações mais leves das etapas de separação B) e E), são levadas para um reservatório comum. Preferivelmente, antes de alimentar a mistura pré-separada de gás/líquido/material particulado em um subseqüente difusor com ventoinha de acordo com a etapa D), o movimento rotacional da mistura pré-separada de gás/líquido/material particulado é reduzida.
Breve Descrição dos Desenhos [017] A invenção é adicionalmente explicada com base nas realizações exemplificativas e não limitantes mostradas nas seguintes Figuras. Nos desenhos: [018] a Figura 1 mostra um separador para separar uma mistura de gás/líquido/material particulado de acordo com a presente invenção com um recipiente e um difusor com ventoinha;
[019] a Figura 2 é uma vista em perspectiva lateral superior de uma realização de um difusor com ventoinha de acordo com a presente invenção; e a Figura 3 mostra uma vista lateral de uma realização alternativa de um difusor com ventoinha de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada da Realização Preferida [020] A Figura 1 mostra uma seção transversal esquemática através de um separador 1 para separar uma mistura fluente de gás/líquido/material particulado em essencialmente uma fração de fase de gás e uma fração de fase de líquido/material particulado, proporcionada com um recipiente 2 com, essencial mente, uma saída de fase de gás 3 sobre o lado superior e essencialmente uma saída de fase de líquido/material particulado 4 sobre o lado inferior; e um difusor com ventoinha 5 localizado entre o lado superior e o lado inferior do recipiente 2.
[021] A mistura de gás/líquido entra o recipiente 2 via a entrada 6 de acordo com a seta P1. A entrada 6 é conectada a uma câmara de distribuição 7 mantendo uma pluralidade de ventoinhas curvadas - as quais serão adicionalmente explicadas na Figura 2 - e é aberta para o lado de dentro do recipiente 2. A câmara de distribuição 7 dispersa a mistura fluente de gás/líquido mais ou menos igualmente sobre o diâmetro do recipiente 2. Partículas de líquido maiores separarão a partir da mistura de gás/líquido e cairão até chegar em um reservatório de líquido 9. O reservatório 9 é conectado a saída de líquido 3 para drenar líquido a partir do recipiente 2 conforme é indicado pela seta P2.
[022] Depois de entrar o recipiente 2 uma fração mais leve da mistura flui para cima no recipiente 2 e pode, por exemplo, passar sobre ou por elementos misturadores 10 (equipamento desmistificador) que são apenas esquematicamente representados na Figura. Durante a passagem dos elementos misturadores 10, partículas líquidas na fração mais leve da mistura são retidas e são alimentadas no reservatório 9. Opcionalmente, também, um ou mais separadores adicionais (um grupo de) separador (res) ciclone pode ser arranjado acima dos elementos misturadores 10 para limitar adicionalmente o conteúdo de líquido da fração de fase de gás. O fluxo de fase de gás resultante finalmente deixa o recipiente 2 via uma saída de gás 3, indicada pela seta P3.
[023] O difusor com ventoinha 5 (que também pode ser referido a como um pré-separador ciclone), também é proporcionado com um elemento de redemoinhar 11 localizado entre a entrada 6 para a mistura de gás/líquido/material particulado e a câmara de distribuição 7. Devido ao ciclone na mistura de gás/líquido/material particulado proporcionado pelo elemento de redemoinhar 11, uma parte das frações mais pesadas (líquido ou partículas) serão removidos a partir da mistura de gás/líquido/material particulado antes de chegar a câmara de distribuição 7 e assim sendo antes da difusão realmente começar. A parte (relativamente pesada) da mistura de gás/líquido/material particulado já separada a partir da mistura por meio do elemento de redemoinhar 11 e removida de acordo com a seta P4 através de um cano de descarga de fração pesada 12 levando em um sentido ao reservatório de líquido 9 do recipiente 2. A mistura pré-separada remanescente de gás/líquido/material particulado que entra a câmara de distribuição 7 é, assim sendo, mais leve do que antes de ter passado pelo elemento de redemoinhar 11. Como a mistura pré-separada de gás/líquido/material particulado é devida ao elemento de redemoinhar 11 é, assim sendo, mais leve, o volume máximo da mistura a ser manuseada pelo separador 1 aumenta.
[024] A Figura 2 mostra uma vista em perspectiva/lateral/superior de uma realização de um difusor com ventoinha 20 de acordo com a presente invenção. Os componentes correspondentes com a realização 1 conforme é mostrado na Figura 1 são designados com os mesmos numerais de referência. Entre uma placa superior e uma placa inferior (ambas não sendo representadas nesta Figura), um difusor 20 é proporcionado com uma pluralidade de ventoinhas 21 que conjuntamente com as placas superior e inferior formam uma pluralidade de canais curvados para direcionar o fluxo da mistura para distribuir a mistura que entra através da entrada 6 tão gentilmente quanto o possível no recipiente 2. Uma parte das gotículas assentará sobre o lado de pressão das ventoinhas 21 devido a forças de inércia e deixarão as bordas de arrasto das ventoinhas na forma de uma película líquida.
[025] O difusor com ventoinha 20 é proporcionado com um alojamento ciclone 24 a montante conectando com a entrada 22 para a mistura de gás/líquido/material particulado; um elemento de redemoinhar 11 para a rotação da mistura fluente de gás/líquido/material particulado sendo localizado no alojamento de ciclone 24 a jusante da entrada 22 para a mistura de gás/líquido/material particulado; uma saída de fase de gás 23 entre as ventoinhas 21 abertas para o recipiente 2 a jusante do elemento de redemoinhar 11; e uma saída de fase líquida 12 conectada a zona externa do alojamento de ciclone a jusante do elemento de redemoinhar 11. Adicionalmente, no alojamento de ciclone 24 é proporcionado um elemento de entrada 25 (também conhecido como uma entrada de alimentação de ventoinha) que também é proporcionado com lâminas curvadas.
[026] A Figura 3 mostra uma vista lateral da realização do difusor com ventoinha 20 de acordo com a Figura 2 e mostra uma placa superior 30 e uma placa inferior 31. As ventoinhas juntas com as placas superior e inferior 30, 31 formam uma pluralidade de canais curvados 23 para direcionar o fluxo. A fração pesada (líquido) separada, adicionalmente comparada a técnica anterior por meio do elemento de redemoinhar 11, é afastada por meio do cano de descarga 12 (isto significa que um dreno se afastando a partir do difusor com ventoinha 20) em um sentido para baixo para a parte inferior do recipiente 2. Assim sendo, o cano de descarga 12 (ou “direcionador para baixo”) descarrega a fração de fase mais pesada pré-separada de líquido/material particulado afastando-a a partir da localização no recipiente 2 onde a separação gravitacional de difusão com ventoinha ocorre. Assim sendo a fração afastada não influencia (perturba) o processo de separação gravitacional de difusão com ventoinhas.
Reivindicações