BR112012022767B1

BR112012022767B1 - equipamento separador e método para separar um fluido misto de processo

Info

Publication number: BR112012022767B1
Application number: BR112012022767-0A
Authority: BR
Inventors: William C. Maier; Gocha Chochua
Original assignee: Dresser-Rand Company
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2020-11-24
Also published as: EP2544822A2; US20150151230A1; US20170106319A1; US20110220591A1; EP2544822A4; US9731238B2; WO2011112403A2; US8960447B2; US9550140B2; US20170304756A1; BR112012022767A2; US9919251B2; WO2011112403A3; EP2544822B1

Abstract

TAMBOR PROVIDO COM PÁS PARA SISTEMA E MÉTODO DE SEPARADOR ROTATIVO Um método e equipamento de separador que inclui um tambor giratório definindo nesse lugar uma passagem anular, várias pás acopladas ao tambor giratório e localizadas na passagem anular, cada uma das várias pás incluindo uma seção anterior, ou uma seção posterior, uma superfície côncava, e uma superfície convexa, as superfícies, côncava e convexa, se estendendo a partir da seção anterior até a seção posterior, cada uma das várias pás dispostas de forma circunferencial adjacente a pelo menos outra das várias pás de modo a definir entre elas as trajetórias de fluxo de pá, e um alojamento circundado ao menos parcialmente o tambor giratório e definindo uma câmara de coleta de fluido que se comunica mediante fluido com a passagem anular.

Description

EQUIPAMENTO SEPARADOR E MÉTODO PARA SEPARAR UM FLUIDO MISTO DE PROCESSO

REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Esse pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente dos Estados Unidos N° de Série 13/038.941, o qual foi depositado em 2 de março de 2011 que reivindica prioridade para o Pedido de Patente Provisional dos Estados Unidos tendo N° de Série 61/312.067, o qual foi depositado em 9 de março de 2010. Os pedidos de prioridade são aqui incorporados integralmente mediante referência.

ANTECEDENTES

[002] Em muitos processos industriais onde se deseja comprimir um fluido de processo, o fluido de processo inclui componentes de densidade inferior e também componentes de densidade superior, por exemplo, gases e líquidos, respectivamente. Os liquidos, contudo, podem danificar, corroer, reduzir potencialmente a eficiência do equipamento de compressão e/ou desgastar o mesmo; portanto, geralmente é desejável remover a maior quantidade possível de liquido a partir do fluido de processo, antes da compressão. Isso é equilibrado em relação a evitar aumentos significativos e materiais e custos de operação, em conjunto com a manutenção de uma taxa de produção suficiente. Uma forma de remoção tal liquido é o de canalizar o fluido de processo através de um separador baseado em densidade, tal como um separador rotativo, desse modo separando e expelindo os componentes de densidade superior a partir dos componentes de densidade inferior do fluido de processo. Para obter uma eficiência de separação desejada, o comprimento axial dos separadores rotativos é determinado tipicamente pela velocidade axial do fluido de processo, pela velocidade radial do liquido que é induzido pelo movimento rotacional do separador rotativo, e pela distância radial que o liquido deve percorrer antes de atingir o dreno. Esses fatores limitam a capacidade de redução do comprimento axial desses separadores rotativos e equipamento nos quais os separadores podem ser incluídos. Portanto, o que é necessário, é um separador rotativo que possa separar eficientemente o fluido de processo em uma elevada velocidade axial através de uma distância axial mais curta.

SUMÁRIO

[003] Modalidades da revelação podem prover um equipamento separador exemplar. O equipamento separador pode incluir um tambor giratório que define uma passagem anular que se estende axialmente através do mesmo, com o tamanho giratório sendo configurado para separar um componente de densidade superior de um fluido a partir de um componente de densidade inferior do fluido. O equipamento separador também pode incluir várias pás acopladas ao tambor rotativo, localizadas na passagem anular, e sendo configuradas para girar com o tambor rotativo, cada uma das várias pás incluindo uma seção anterior, uma seção posterior, uma superfície côncava, e uma superfície convexa, as superfícies côncavas e convexas se estendendo a partir da seção anterior para a seção posterior, cada uma das várias pás sendo disposta de forma circunferencial adjacente a pelo menos outra das várias pás de modo a definir trajetórias de fluxo das pás entre as mesmas. O equipamento separador pode incluir ainda um alojamento pelo menos parcialmente circundando o tambor giratório e definindo uma câmara de coleta de fluido em comunicação de fluido com a passagem anular.

[004] Modalidades da revelação também podem prover um método exemplar para separar um fluido misto de processo. O método pode incluir a introdução do fluido misto de processo em um tambor separador rotativo, o fluido misto de processo incluindo um componente de densidade superior e um componente de densidade inferior. O método pode incluir ainda separar de modo centrifugo pelo menos uma porção do componente de densidade superior a partir do componente de densidade inferior. Separar de modo centrifugo a porção do componente de densidade superior a partir do componente de densidade inferior pode incluir girar o tambor separador rotativo com o fluido misto de processo introduzido nesse lugar, e direcionar o fluido misto de processo entre as pás curvas dispostas de forma circunferencial adjacentes entre si no tambor separador rotativo. O método também pode incluir dirigir o componente de densidade superior separado para uma parede externa do tambor separador rotativo.

[005] Modalidades da revelação podem prover ainda um equipamento exemplar para separar o componente de densidade superior a parti de um componente de densidade inferior de um fluido de processo. O equipamento pode incluir um alojamento definindo uma câmara de coleta de fluido, uma entrada de alojamento, e uma saída de alojamento. O equipamento pode incluir ainda um tambor posicionado de forma rotativa entre a entrada de alojamento e a saída de alojamento e incluindo uma parede interna e uma parede, externa que é disposta em torno da parede interna e deslocada radialmente a partir da mesma para definir uma passagem entre as mesmas, a passagem incluindo uma entrada localizada proximal em relação à entrada de alojamento e uma saída localizada em relação proximal à saída de alojamento, a passagem se estendendo por uma extensão axial entre a entrada e a saída e se comunicando com a câmara de coleta de fluido. O equipamento também pode incluir várias pás que se estendem pelo menos parcialmente entre as paredes interna e externa do tambor e dispostas em torno do tambor e pelo menos parcialmente ao longo do comprimento axial da passagem, cada uma das várias pás tendo uma seção anterior, uma seção posterior, uma superfície convexa, e uma superfície côncava, as superfícies convexas e côncavas se estendendo a partir da seção anterior para a seção posterior.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] A presente revelação é mais bem-entendida a partir da descrição detalhada seguinte quando lida com as figuras anexas. Enfatiza-se que, de acordo com a prática padrão na indústria, várias características não são traçadas em escala. Na realidade, as dimensões das várias características podem ser aumentadas ou reduzidas arbitrariamente para clareza de discussão.

[007] A Figura 1 ilustra uma vista isométrica de um tambor separador rotativo exemplar, de acordo com a revelação.

[008] A Figura 2 ilustra uma vista em perspectiva lateral, destacada do tambor separador rotativo, de acordo com a revelação.

[009] A Figura 3 ilustra uma vista lateral em seção transversal do tambor separador rotativo, de acordo com a revelação.

[0010] A Figura 4 ilustra uma vista em seção transversal do tambor de separação rotativo acoplado a um alojamento, de acordo com a revelação.

[0011] A Figura 5 ilustra uma vista lateral de duas pás exemplares do separador rotativo com um fluido de processo sendo dirigido entre as mesmas, de acordo com a revelação.

[0012] A Figura 6 ilustra uma vista em seção transversal parcial do tambor separador rotativo, mostrando um fluido de processo mostrado em deslocamento nesse lugar, de acordo com a revelação.

[0013] A Figura 7 ilustra uma vista em perspectiva lateral, destacada de outro tambor separador rotativo exemplar, de acordo com a revelação.

[0014] A Figura 8 ilustra uma vista lateral de várias pás exemplares da modalidade do tambor separador rotativo mostrado na Figura 7, mostrando um fluido de processo em movimento entre as pás, de acordo com a revelação.

[0015] A Figura 9 ilustra um fluxograma ilustrando um método exemplar para separar um fluido de processo, de acordo com a revelação.

[0016] A Figura 10 ilustra um gráfico mostrando a eficiência de uma modalidade experimental do sistema de separador rotativo em comparação com os separadores convencionais, de acordo com a revelação.

[0017] A Figura 11 ilustra um gráfico mostrando o desempenho de separação de uma modalidade experimental do sistema de separador rotativo em comparação com os separadores convencionais, de acordo com a revelação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] Deve-se entender que a revelação seguinte descreve várias modalidades exemplares para implementar diferentes características, estruturas, ou funções da invenção. Modalidades exemplares de componentes, arranjos, e configurações são descritas abaixo para simplificar a presente revelação; contudo, essas modalidades exemplares são providas apenas como exemplo e não pretendem limitar o escopo da invenção. Adicionalmente, a presente revelação pode repetir os numerais e/ou letras de referência nas várias modalidades exemplares e através das figuras aqui providas. Essa repetição tem o propósito de simplicidade e clareza e em si não determina uma relação entre as várias modalidades e/ou configurações exemplares discutidas nas várias figuras. Além disso, a formação de uma característica em relação a uma segunda característica na descrição que se segue pode incluir modalidades nas quais a primeira e a segunda características são formadas em contato direto, e também podem incluir modalidades nas quais características adicionais podem ser formadas interpondo a primeira e a segunda característica, de tal modo que a primeira e a segunda característica podem não estar em contato direto. Finalmente, as modalidades exemplares apresentadas abaixo podem ser combinadas em qualquer combinação de formas, isto é, qualquer elemento de uma modalidade exemplar pode ser usado em qualquer outra modalidade exemplar, sem se afastar do escopo da revelação.

[0019] Adicionalmente, certos termos são usados por toda a descrição seguinte e concretizações para se referir aos componentes específicos. Conforme aqueles versados na técnica considerarão, diversas entidades podem se referir ao mesmo componente através de nomes diferentes, e como tal, a convenção de nomes para os elementos aqui descritos não pretende limitar o escopo da invenção, a menos que de outro modo especificamente aqui definido. Além disso, a convenção de nomes usados aqui não pretende distinguir entre os componentes que diferem em nome, mas não em função. Adicionalmente, na discussão seguinte e nas concretizações, os termos "incluindo" e "compreendendo" são usados de um modo ilimitado, e assim devem ser interpretados como significando "incluindo, mas não limitado a". Todos os valores numéricos nessa revelação podem ser valores exatos ou aproximados a menos que de outro modo declarado especificamente. Consequentemente, várias modalidades da revelação podem se desviar dos números, valores, e faixas aqui reveladas sem se afastar do escopo pretendido. Adicionalmente, conforme usado nas concretizações, o termo "ou" pretende abranger ambos os casos, exclusivo e inclusivo, isto é, "A ou B" pretendem ser sinônimos com "pelo menos um de A e B", a menos que expressamente aqui especificado.

[0020] A Figura 1 ilustra um separador rotativo 100, de acordo com uma modalidade exemplar. O separador rotativo 100 inclui um tambor giratório 102 que tem uma superfície frontal 104, uma superfície traseira 106, localizada axialmente oposta à superfície frontal 104, e uma superfície externa 107 que se estende além da superfície frontal 104 e a superfície traseira 106. Em uma modalidade exemplar, o tambor 102 pode aumentar em diâmetro prosseguindo a partir da superfície frontal 104 para a superfície traseira 106, de tal modo que o tambor 102 é substancialmente troncônico. Em outra modalidade exemplar, uma região central entre a superfície frontal e a superfície traseira, 104 e 106, pode ser ampliada em diâmetro (não mostrado) em relação às duas superfícies, frontal e traseira, 104 e 106. Em ainda outra modalidade exemplar, o tambor 102 pode manter um diâmetro substancialmente constante de tal modo que o tambor 102 é cilíndrico. Em várias outras modalidades exemplares, o tambor 102 pode incluir um ou mais de uma variedade de diferentes formatos. Adicionalmente, será considerado que as superfícies, frontal e traseira, 104 e 106, podem ser invertidas, sem se afastar do escopo dessa revelação.

[0021] O tambor 102 pode definir um furo central 109 que se estende através do mesmo, por exemplo, a partir da superfície frontal 104 até a superfície traseira 106. O furo central 109 pode receber um eixo (não mostrado), de tal modo que o tambor 102 pode ser girado por uma fonte externa de energia rotacional, tal como uma turbina, motor ou semelhante, ou em vez disso pode prover energia rotacional a um dispositivo externo (não mostrado), tal como um gerador ou um compressor. O tambor 102 também pode ter uma parede externa 110 e uma parede interna 112, com a parede externa e a parede interna, 110 e 112, sendo geralmente concêntricas com relação uma à outra. A parede externa e a parede interna, 110 e 112, podem ser deslocadas radialmente entre si, definindo a passagem 114 entre as mesmas, com a passagem 114 tendo uma entrada 115 próxima à superfície frontal 104, conforme mostrado. Em uma modalidade exemplar, a geometria da passagem 114 pode se ajustar geralmente à geometria do tambor 102, de tal modo que em uma modalidade exemplar na qual o tambor 102 é troncônico, a passagem 114 também é troncônica. Em várias modalidades exemplares, contudo, a passagem 114 pode ser cilíndrica ou de qualquer outro formato adequado.

[0022] O separador rotativo 100 inclui também várias pás 116, as quais podem se estender radialmente através de pelo menos uma parte da passagem 114. Por exemplo, as várias pás 116 podem ser acopladas e se estender entre as paredes externas e internas, 110 e 112. Qualquer número de pás 116 pode ser empregado, e cada uma delas pode ser espaçada de forma circunferencial em relação às outras pás em torno do tambor 102. Além disso, as pás 116 podem ser acopladas às paredes, externas e internas, 110 e 112, utilizando prendedores, solda, caldeamento, conexão do tipo rabo de andorinha, ou semelhante, podem ser fundidas, cortadas, ou de outro modo formadas integralmente com o tambor 102, e/ou podem ser acopladas às paredes externas e/ou internas 110 e 112 mediante qualquer outro processo adequado. Adicionalmente, as pás 116 podem ter um ângulo de inclinação a com relação a uma linha radial 111. As pás 116 podem se inclinar no sentido horário ou no sentido anti-horário dependendo da direção na qual o tambor 102 é configurado para girar. Nas várias modalidades exemplares, o ângulo de inclinação a pode variar de aproximadamente 8 graus até aproximadamente 11 graus, ou de aproximadamente 14 graus até aproximadamente 17 graus, de aproximadamente 20 graus, ou de aproximadamente 22 graus. Em pelo menos uma modalidade exemplar, o ângulo de inclinação a pode ser de aproximadamente 15 graus.

[0023] A Figura 2 ilustra uma vista em perspectiva lateral do separador rotativo 100, de acordo com uma modalidade exemplar, mostrando o tambor 102 com a superfície externa 107, parcialmente destacada para revelar a passagem 114 que se estende entre a superfície frontal 104 e a superfície traseira 106. Um eixo 118 pode ser definido através do meio do tambor 102, em torno do qual gira o tambor 102. Adicionalmente, cada uma das várias pás 116 inclui uma seção dianteira 120, a qual pode ser afilada até uma borda fina, conforme mostrado, e uma seção posterior 122. A seção anterior e a seção posterior, 120 e 122, são conectadas em conjunto por intermédio de uma porção curva que pode incluir superfícies côncavas e convexas 126,128. Cada pá 116 pode ser fundida com precisão, usinada a partir de um bloco sólido, ou de outro modo formada integralmente, ou feita de múltiplas partes que são fixadas juntas. Cada pá 116 pode ser arranjada de tal modo que a seção dianteira 120 esteja posicionada geralmente a montante (isto é, proximal em relação à superfície frontal 104 e/ou entrada 115) na passagem 114 em relação à seção posterior 122. Em pelo menos uma modalidade exemplar, a seção anterior 120 de cada uma das pás 116 é posicionada adjacente à superfície frontal 104 do tambor 102. Além disso, a superfície côncava 126 também pode ser referida como a superfície de pressão da pá 116; e a superfície convexa 128 também pode ser referida como a superfície de sucção da pá 116.

[0024] Entre pás adjacentes 116 é definida uma trajetória de fluxo 130 entre as pás. Cada trajetória de fluxo 130 entre as pás pode ser definida pela seção anterior 120 e pela seção posterior 122 e a superfície convexa 128 de uma pá 116, e a seção anterior 120 e a seção posterior 122 e a superfície côncava 126 da outra pá 116. A trajetória de fluxo 130 entre as pás pode se estender axialmente, pelo menos parcialmente a partir da entrada 115 até a saída 117 da passagem 114. Adicionalmente, a seção posterior 122 pode ser inclinada em relação à seção anterior 120 para definir um ângulo p. O ângulo P pode variar de aproximadamente 90 graus, aproximadamente 100 graus, ou de aproximadamente 110 graus a aproximadamente 130 graus, aproximadamente 140 graus, ou aproximadamente 150 graus. Em pelo menos uma modalidade exemplar, o ângulo P pode ser de aproximadamente 120 graus.

[0025] Em uma modalidade exemplar, cada uma das várias pás 116 pode ser substancialmente idêntica; contudo, em várias outras modalidades exemplares, o formato, estrutura, e/ou material das pás 116 pode variar. Além disso, a seção posterior 122 das pás 116 pode se estender por uma extensão que é de pelo menos aproximadamente o dobro do comprimento da seção anterior 120. Em várias modalidades exemplares, cada uma das pás 116 pode se estender ao longo de pelo menos aproximadamente 60%, de pelo menos aproximadamente 70%, ou de pelo menos aproximadamente 80% de uma extensão do tambor 102 a partir da superfície frontal 104 até a superfície traseira 106. Em uma modalidade exemplar, o comprimento das pás 116 pode ser substancialmente o mesmo; contudo, em várias outras modalidades exemplares, as pás 116 podem variar em comprimento.

[0026] A Figura 3 ilustra uma seção transversal do separador rotativo 100 da Figura 2, de acordo com uma modalidade exemplar. Será considerado que cada uma das pás curvas 116 aparece onde elas intersectam o plano ilustrado pela seção transversal; portanto, várias das pás 116 da modalidade ilustrada são mostradas, com cada uma delas aparecendo como um ou dois retângulos na Figura 3. Além disso, a Figura 3 ilustra uma modalidade troncônica do tambor 102, com paredes externas e internas conformemente troncônicas 110 e 112 e a superfície externa 107. Conforme mostrado, o eixo 118 pode ser definido através do furo central 109, de tal modo que o tambor 102 pode ser girado em torno do mesmo.

[0027] Como também observado acima com referência à Figura 1, as paredes externas e internas, 110 e 112, podem ser radialmente deslocadas entre si, definindo uma passagem 114 entre as mesmas, com as pás 116 se estendendo pelo menos parcialmente através da passagem 114. Em várias modalidades exemplares, as paredes externas e internas 110 e 112 podem ser substancialmente paralelas, conforme mostrado, ou podem ser convergentes. Adicionalmente, as paredes externas e internas 110 e 112 podem aumentar em diâmetro a partir da superfície frontal 104 até a superfície traseira 106 em um ângulo de aproximadamente 3 graus até aproximadamente 6 graus prosseguindo da superfície frontal 104 para a superfície traseira 106.

[0028] A Figura 4 ilustra uma vista em seção transversal parcial de um sistema de separador rotativo 150, de acordo com uma modalidade exemplar, que incorpora o tambor 102 do separador rotativo 100 (Figuras 1-3). O sistema de separador rotativo 150 pode incluir um alojamento 200, o qual pode ser substancialmente simétrico em toro do eixo 118, e que inclui uma entrada 204, uma saída 205, e uma câmara de coleta 206. O tambor 102 é posicionado no alojamento 200 de tal modo que a entrada 115 da passagem 114 está localizada de forma proximal, por exemplo, adjacente e alinhada com a entrada 204, enquanto a saída 117 está localizada proximal, por exemplo, adjacente e alinhada com a saída 205 do alojamento 200. Em uma modalidade exemplar, o fluido fluindo ao longo da parede externa 110 é dirigido para dentro do alojamento de coleta 206, enquanto que o liquido fluindo proximal em relação à parede interna 102 flui para a saída 205. Em várias modalidades exemplares, a saída 205 pode ser, incluir, ou estar acoplada mediante fluido com, um impulsor de um compressor centrífugo. Em outras modalidades exemplares, a saída 205 pode ser, incluir, ou estar, acoplada com qualquer outro dispositivo.

[0029] Com referência adicional à Figura 3, na operação exemplar, um fluido misto de processo pode ser introduzido no sistema de separador rotativo 150 por intermédio da entrada 204. Na entrada 204, o fluido misto de processo pode incluir um componente de densidade superior e um componente de densidade inferior. Em uma modalidade exemplar, o componente de densidade inferior pode ser gás e o componente de densidade superior pode ser liquido; contudo, será considerado que o componente de densidade superior pode ser ou incluir líquidos relativamente densos, gases, sólidos, ou qualquer combinação dos mesmos, enquanto que o componente de densidade inferior pode ser ou incluir líquidos relativamente menos densos, gases, sólidos, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, o separador rotativo 150 pode ser operável para separar os gases mais densos a parti dos gases menos densos, os sólidos a partir dos líquidos, líquidos mais densos a partir dos líquidos menos densos, ou qualquer combinação dos mesmos.

[0030] O fluído misto de processo pode então prosseguir para a entrada 115 da passagem 114 do tambor 102. O tambor 102 pode ser girado em torno de seu eixo geométrico 118 por intermédio de um eixo (não mostrado) recebido dentro do furo central 109, com o eixo sendo acionado por um mecanismo externo (não mostrado) tal como uma turbina, motor, ou semelhante. Em outras modalidades exemplares, o tambor 102, em vez isso, pode ser, ou ser adicionalmente girado pela energia no fluxo de fluido misto de processo quando ele contata as pás 116. Subsequentemente, o fluido misto de processo pode continuar para dentro da passagem 114 e fluir em direção à saída 117. Durante o fluxo através da passagem 114, a separação dos vários componentes do fluido de processo é otimizada utilizando as pás 116, conforme será descrito em detalhe adicional abaixo.

[0031] A Figura 5 ilustra um par de pás 116a,b com a passagem de fluxo 130 entre as pás definida entre as mesmas, de acordo com uma modalidade exemplar. À medida que o fluido de processo flui ao longo da passagem 114 (Figuras 1-4), a trajetória de fluxo do fluido de processo nesse lugar pode ser limitada pelas pás 116a,b forçando assim o fluido de processo a fluir através da passagem de fluxo 130 entre as pás e através das pás 116a,b. Assim, na passagem de fluxo 130 entre as pás, os componentes de densidade superior do fluido de processo podem ser acionados para o lado côncavo 126 da pá 116a, como mostrado pela seta 210, enquanto que os componentes de densidade inferior do fluido de processo fluirão adjacentes ao lado convexo 128 da segunda pá 116b. A densidade superior pode assim coalescer no lado côncavo 126 da pá 116a.

[0032] Continuando com referência continuada à Figura 5, a Figura 6 ilustra o fluido de processo se deslocando através da passagem 114 a partir da entrada 115 em direção à saída 117, conforme mostrado pela seta 208. Conforme descrito acima, pelo menos parte do componente de densidade superior do fluido de processo coalesce na superfície côncava 126. Devido à rotação contínua do tambor 102, o componente de densidade superior coalescido é centrifugado no sentido para fora, conforme mostrado pela seta 212. Quantidades adicionais do componente de densidade superior também podem ser centrifugadas diretamente para fora da corrente de fluxo de processo por intermédio da rotação do tambor 102, sem necessitar contato com as pás 116. O componente de densidade superior separado é assim guiado para a parede externa 102 para coleta.

[0033] As pás 116 podem ser dimensionadas ou de outro modo inclinadas de tal modo que substancialmente todo o componente de densidade superior coalescido nas mesmas contata a parede externa 110 antes de alcançar a saída 117. Assim, quando o fluido de processo chega a um ponto adjacente à superfície traseira 106 do tambor 102, substancialmente todo o componente de densidade superior no fluido de processo pode contatar a parede externa 110 e substancialmente todo o componente de densidade inferior pode permanecer na passagem 114 entre a parede externa 110 e a parede interna 112. Contudo, em várias modalidades exemplares, o componente de densidade inferior pode também contatar a parede interna 112. O componente de densidade inferior do fluido de processo pode se mover através da saída 117, definida pelo separador rotativo 100 para a saída 205, enquanto que o componente de densidade superior do fluido de processo pode ser guiado para dentro da câmara de coleta 206 (Figura 4), e finalmente para um dreno (não mostrado) conectado ao alojamento 200 (Figura 4).

[0034] A Figura 7 ilustra outro separador rotativo 400, de acordo com uma modalidade exemplar, mostrada com uma porção da superfície externa 107 destacada para revelar a passagem 114. O separador rotativo 400 pode ser substancialmente similar ao separador rotativo 100, mostrado na, e descrito acima com referência às Figuras 16, e pode ser mais bem-entendido com referência às mesmas. Contudo, o separador rotativo 400 inclui várias pás 402 dispostas em uma pluralidade de fileiras de pás 403a, 403b, 403c e 403d no tambor 102. Em uma modalidade exemplar, uma seção posterior 412 de cada par 402 de fileiras 403a-c é proximal em relação a uma seção anterior 410 de uma pá 402 em uma fileira subsequente 403b-d, conforme mostrado. Além disso, cada par 402 pode incluir uma superfície côncava 401 e uma superfície convexa 405. Adicionalmente, cada par 402 pode ser posicionada na passagem 114 entre a superfície frontal 104 e a superfície traseira 106. Adicionalmente, cada uma das pás 4 02 pode ser separada da outra de modo a formar passagens de fluxo 407 entre as pás adjacentes 402. Em uma modalidade exemplar, cada fileira de pás 403a-d se estende em torno da circunferência da passagem 114; contudo, em várias outras modalidades exemplares, uma ou mais das fileiras de pás 403a-d pode parar em um ponto, e/ou as fileiras 403a-d podem ser escalonadas em torno do tambor 402. Outras modalidades serão prontamente evidentes de acordo com essa revelação. Além disso, fileiras adjacentes 403a-d podem estar voltadas em direções circunferenciais opostas, conforme mostrado. Por exemplo, a superfície côncava 405 das pás 402 na primeira fileira 403a está voltada "para baixo", conforme mostrado a partir do lado, correspondendo a uma direção circunferencial no sentido horário, enquanto que a superfície côncava 405 das pás 402 na segunda fileira 403b está voltada "para cima", como mostrado a partir do lado, correspondendo a uma direção circunferencial no sentido anti-horário.

[0035] A Figura 8 ilustra uma porção de cada uma das fileiras de pás 40a-d, de acordo com uma modalidade exemplar, com as fileiras 403a-d arranjadas em sequência alternada e a trajetória de fluxo entre pás 407 definida entre as mesmas. As fileiras 403a-d são arranjadas de tal modo que um fluido fluindo ao longo de uma superfície convexa 405 de uma pá 402 em uma fileira 403a-d será guiado para a superfície côncava 401 de uma pá 402 em uma fileira adjacente 403a-d, como mostrado pela seta 404. Similarmente, um fluido fluindo ao longo de uma superfície côncava 405 de uma pá 402 em uma fileira 403a-d será virado para a superfície convexa 401 de uma pá 402 em uma fileira adjacente 403a-d. Consequentemente, um fluido fluindo através da trajetória de fluxo entre pás 130 é virado para uma primeira direção circunferencial enquanto percorrendo a primeira fileira de pás 403a, e é virado para uma segunda direção circunferencial oposta enquanto percorrendo a segunda fileira de pás 403b. Esse giro alternado proporciona uma aceleração de pá para pá e assim uma força centrifuga de pá para pá, resultante. A força centrifuga de pá para pá aciona os componentes de densidade superior do fluido de processo na direção ilustrada pelas setas 406 contra a superfície de alta pressão, isto é, a superfície côncava 401 das pás 402.

[0036] Em uma ou mais modalidades, cada fileira 403a-d pode virar a trajetória de fluxo 404 em aproximadamente 60 graus (por exemplo, +/- aproximadamente 30 graus em relação ao eixo 118 mostrado nas Figuras 2-4). Mediante alternação da direção de trajetória de fluxo, a separação dos componentes dentro de um fluido de processo pode ser aperfeiçoada adicionalmente com relação a uma modalidade de fileira única de pás, mediante ação de forçar os componentes de densidade superior para a superfície côncava 401 limitando a trajetória de fluxo entre pás 407. Em pelo menos uma modalidade exemplar, fileiras de pás adjacentes 403a-d podem ser escalonadas de forma circunferencial em torno do tambor 102 (Figura 7), para maximizar a quantidade de fluido de processo que percorre a superfície côncava 401 com cada giro do fluido de processo.

[0037] A Figura 9, com referência adicional às Figuras 1-8, ilustra um método 500 para separar um componente de densidade superior (por exemplo, líquido) a partir de um componente de densidade inferior (por exemplo, gás) em um fluido misto de processo, de acordo com uma modalidade exemplar. Tal método 500 pode ser empregado a montante do equipamento de processamento de fluido adicional tal como compressores, turbinas ou semelhantes. O método 500 pode começar em 502, onde um tambor separador rotativo 102 é provido para receber o fluido misto de processo. O método 500 pode então prosseguir para 504, onde o fluido misto de processo é movido através de uma passagem 114 definida no tambor 102. Conforme descrito acima com referência à Figura 4, por exemplo, o fluido misto de processo pode ser introduzido no tambor 102 de modo a se mover geralmente axialmente através da passagem 114. pelo menos uma porção do fluido misto de processo pode continuar a fluir axialmente ao longo da extensão da passagem 114 e passar através da saída 117.

[0038] O método 500 pode prosseguir para 506, onde, à medida que o fluido misto de processo se desloca através da passagem 114, por exemplo, o tambor 102 é girado para induzir separação centrífuga radial do fluido misto de processo para pelo menos um componente de densidade superior e um componente de densidade inferior. O componente de densidade superior tem uma densidade maior do que o componente de densidade inferior, assim as forças inerciais na densidade superior serão superiores àquelas no componente de densidade inferior, resultando na separação do componente de densidade superior a partir do componente de densidade inferior.

[0039] O método pode então prosseguir para 508, no qual o fluido misto de processo fluindo ao longo da passagem 114 encontra as pás 116 (Figuras 1-5) e/ou 402 (Figuras 7 e 8) dispostas nesse lugar. O fluido de processo pode ser então forçado a fluir no percurso de fluido entre pás 130 e/ou 407 definido entre pás adjacentes 116a,b (Figura 5) ou 402 de modo a induzir uma separação centrífuga dos componentes de densidade superior e de densidade inferior do fluido misto de processo. O componente de densidade superior pode ser guiado para as superfícies côncavas 126 das pás 116, onde o componente de densidade superior coalesce em uma película sobre as mesmas. A aplicação continuada de forças centrífugas mediante rotação do tambor 102 sobre o componente de densidade superior coalescido faz com que ele flua no sentido para fora ao longo da pá 116 para a parede externa 110.

[0040] O componente de densidade superior, coalescido e fluindo ao longo das superfícies côncavas 126 das pás 116, pode ser então guiado para a parede externa 110 do tambor 102 e para uma câmara de coleta 206. A câmara de coleta 206 pode ser disposta adjacente ao tambor 102, especificamente a parede externa 110, e posicionada radialmente no sentido para fora da mesma; adicionalmente, a câmara de coleta 206 pode ser configurada para receber o componente de densidade superior separado do fluido misto de processo. Entretanto, o componente de densidade inferior pode continuar além da câmara de coleta 206 (Figura 4) em uma direção de fluxo geralmente axial para a saída 205, como em 510.

[0041] Embora o fluido de processo tenha sido descrito como incluindo pelo menos um liquido e pelo menos um gás, e o tambor separador rotativo tenha sido descrito como sendo operável para separar o pelo menos um líquido do pelo menos um gás, aqueles versados na técnica reconhecerão que o fluido de processo pode incluir dois componentes de fluido tendo densidades diferentes e que o tambor separador rotativo pode ser usado para separar esses dois componentes de fluido sem se afastar do escopo da presente revelação.

EXEMPLO

[0042] A discussão precedente pode ser descrita adicionalmente com referência ao exemplo não limitador a seguir.

[0043] As Figuras, 10 e 11, ilustram dados de resultados experimentais a partir de uma modalidade experimental do sistema de separador rotativo 150 descrito acima. As condições de testes foram como a seguir: velocidade rotacional do separador rotativo foi ajustado em aproximadamente 10.000 rpm, a pressão em aproximadamente 150 psia, e a temperatura em aproximadamente 100°F. O fluido de processo consistia em uma combinação de gás nitrogênio e liquido EXXSOL®.

[0044] A Figura 10 ilustra uma comparação de desempenho entre um separador rotativo convencional e uma modalidade do sistema de separador rotativo 150. Especificamente, a Figura 11 mostra um gráfico de eficiência relativa de separação como uma função de um parâmetro de separação. A eficiência de separação é definida geralmente como a relação da quantidade de líquido separada pelo separador rotativo/quantidade total de líquido entrando no separador rotativo. O gráfico mostra a eficiência de separação relativa, ilustrando eficiência de separação dos resultados localizados em comparação com um sistema de separador tradicional. O parâmetro de separador geralmente é definido como a medida de quão difícil é o ambiente, de separação, isto é, quão difícil é separar os componentes de densidade inferior a partir dos componentes de densidade superior, por exemplo, o gás a partir do liquido no fluido de processo. Quanto maior for o parâmetro de separação, mais difícil se torna separar o fluido de processo. Adicionalmente, o parâmetro de separação é geralmente uma função da pressão, temperatura, e composição de fluido, assim como a velocidade de rotação e o diâmetro característico do separador rotativo.

[0045] A linha 602 localiza a eficiência de separação relativa do separador convencional, enquanto que a linha 606 localiza a eficiência de separação relativa do sistema de separador rotativo 150. À medida que aumenta o parâmetro de separação, divergem as linhas 602 e 606. Assim, o separador rotativo convencional diminui em eficiência em relação ao separador tradicional À medida que se tornam mais difíceis as condições. Em comparação, o sistema de separador rotativo 150 mantém eficiência de separação aumentada, mesmo no parâmetro de separação superior, indicando que o sistema de separador rotativo 150 descrito acima supera substancialmente em desempenho o sistema de separador convencional, mesmo em ambientes de separação difícil.

[0046] A Figura 11 ilustra uma comparação de desempenho entre um sistema de compressão utilizando um separador convencional e um sistema utilizando uma modalidade do sistema de separador rotativo 150. Especificamente, a Figura 11 ilustra a eficiência relativa do compressor como uma função da relação da taxa de fluxo volumétrico do fluido de processo em relação à velocidade de rotação do separador rotativo (Q/N). A eficiência do compressor é geralmente definida como significando a quantidade de trabalho que é transferida para o fluido de processo pelo compressor versus a quantidade de energia consumida pelo sistema de compressão. Além disso, a eficiência do compressor é mostrada como eficiência relativa do compressor, ilustrando a vantagem do sistema localizado em relação aos sistemas tradicionais de compressor/separador. A linha 610 localiza o compressor utilizando o separador rotativo convencional, enquanto que a linha 108 localiza o compressor utilizando o sistema de separador rotativo 150. Conforme será considerado, para ambas as linhas, 608 e 610, à medida que Q/N é aumentada, diminui a eficiência relativa do compressor. Contudo, em todos os pontos, a linha 608 está acima da linha 610, ilustrando que o sistema de separador rotativo 150 possibilita uma eficiência superior para o compressor independentemente da relação de Q/N. Adicionalmente, à medida que aumenta Q/N, a eficiência relativa de ambos os sistemas pode aumentar até um valor máximo, antes de cair. Conforme pode ser considerado a partir do gráfico, a linha 606 mostra a eficiência relativa do sistema de compressão empregando o separador rotativo convencional caindo mais rapidamente do que a eficiência relativa do sistema de compressão empregando o sistema de separador rotativo 150, conforme mostrado pela linha 608. Assim, o sistema de separador rotativo 150 supera em desempenho o separador convencional, com as diferenças sendo aumentadas à medida que aumenta a relação de Q/N.

[0047] O precedente delineou as características de várias modalidades de modo que aqueles versados na técnica possam compreender melhor a presente revelação. Aqueles versados na técnica considerarão que a presente revelação pode ser prontamente utilizada como uma base para projetar ou modificar outros processos e estruturas para realizar os mesmos processos e/ou realizar as mesmas vantagens das modalidades aqui introduzidas. Aqueles versados na técnica também deverão perceber que tais construções e equivalentes não se afastam da essência e escopo da presente revelação, e que eles podem fazer diversas alterações, substituições e modificações nas mesmas sem se afastar da essência e escopo da presente revelação.

Claims

Equipamento separador (100, 400), caracterizado pelo fato de que compreende
um tambor giratório (102) incluindo uma parede interna (112) e uma parede externa (110) disposta em torno da parede interna (112) e radialmente deslocada da mesma para definir uma passagem anular (114) entre as mesmas, a passagem anular (114) se estendendo axialmente a partir de uma entrada (115) em uma superfície frontal (104) do tambor giratório (102) para uma saída (117) em uma superfície traseira (106) do tambor giratório (102), o tambor giratório (102) sendo configurado para separar um componente de densidade superior de um fluxo de fluido a partir de um componente de densidade inferior do fluxo de fluido;
uma pluralidade de pás (116, 402) acopladas ao tambor giratório (102), localizadas na passagem anular (114), e sendo configuradas para girar com o tambor giratório (102), cada uma da pluralidade de pás (116, 402) incluindo uma seção anterior (120, 410), uma seção posterior (122, 412), uma superfície côncava (126, 401), e uma superfície convexa (128, 405), as superfícies côncava (126,401) e convexa (128, 405) se estendendo a partir da seção anterior (120, 410) para a seção posterior (122,412), cada uma da pluralidade de pás (116, 402) se estendendo a partir da parede interna (112) para a parede externa (110) e sendo disposta de forma circunferencial adjacente a pelo menos uma outra da pluralidade de pás (116, 402) de modo a definir trajetórias de fluxo de pá (130, 407) entre as mesmas; e
um alojamento (200) pelo menos parcialmente circundando o tambor giratório (102) e definindo uma câmara de coleta de fluido (206) em comunicação fluida com a passagem anular (114).
Equipamento separador (100, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma das trajetórias de fluxo de pá (130, 407) é pelo menos parcialmente definida pela superfície convexa (128,405) de pelo menos uma da pluralidade de pás (116, 402) e a superfície côncava (126, 401) de pelo menos outra da pluralidade de pás (116, 402).
Equipamento separador (100, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tambor giratório (102) é de formato troncônico.
Equipamento separador (100, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma da pluralidade de pás (116, 402) se inclina em um ângulo de 8 graus até 22 graus em relação a um raio do tambor giratório (102).
Equipamento separador (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma da pluralidade de pás (116) se estende em pelo menos 60% de uma extensão axial do tambor giratório (102).
Equipamento separador (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção posterior (122) de cada uma da pluralidade de pás (116) se estende por uma extensão que é pelo menos o dobro de uma extensão da seção anterior (120).
Equipamento separador (100, 400), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a seção posterior (122, 412) é orientada em um ângulo de 90 graus a 150 graus com relação à seção anterior (120, 410).
Equipamento separador (400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de pás (116) compreende primeira e segunda fileiras de pás (403a-d), as primeira e segunda fileiras (403a-d) dispostas axialmente adjacentes uma às outra.
Equipamento separador (400), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a superfície côncava (401) de cada uma da pluralidade de pás (116, 402) na primeira fileira está voltada para uma primeira direção circunferencial e a superfície côncava (401) de cada uma da pluralidade de pás (116, 402) na segunda fileira de pás está voltada para uma segunda direção circunferencial, as primeira e segunda direções circunferenciais sendo opostas.
Equipamento separador (400), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a primeira fileira de pás gira um fluido de processo a um ângulo de 30 graus na primeira direção circunferencial em relação a uma direção axial, e a segunda fileira de pás gira o fluido de processo a um ângulo de 30 graus na segunda direção circunferencial com relação à direção axial.
Método para separar um fluido misto de processo, empregando um equipamento separador, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende
introduzir o fluido misto de processo em um tambor separador rotativo (102), o fluido misto de processo incluindo um componente de densidade superior e um componente de densidade inferior, e o tambor separador rotativo (102) incluindo uma parede interna (112) e uma parede externa (110) disposta em torno da parede interna (112) e radialmente deslocada da mesma para definir uma passagem anular (114) entre as mesmas, a passagem anular (114) se estendendo axialmente a partir de uma entrada (115) em uma superfície frontal (104) do tambor giratório (102) para uma saída (117) em uma superfície traseira (106) do tambor giratório (102);
separar de forma centrifuga pelo menos uma porção do componente de densidade superior a partir do componente de densidade inferior, compreendendo
girar o tambor separador rotativo (102) com o fluido misto de processo introduzido no mesmo; e
direcionar o fluido misto de processo entre pás (116, 402) curvas dispostas de forma circunferencial adjacentes entre si no tambor separador rotativo (102), cada uma das pás (116, 402) curvas se estendendo a partir da parede interna (112) para a parede externa (110);
receber pelo menos uma parte do componente de densidade superior do fluido misto de processo em uma superfície côncava (126, 401) de pelo menos uma da pás (116, 402) curvas; e
direcionar o componente de densidade superior separado para uma parede externa (110) do tambor separador rotativo (102).
Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que girar o tambor separador rotativo (102) compreende ainda induzir o componente de densidade superior separado radialmente no sentido para fora ao longo da superfície côncava (126, 401) da pelo menos uma das pás (116,402) curvas em direção à parede externa (110) do tambor separador rotativo (102).
Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a introdução do componente de densidade superior em uma câmara de coleta de fluido (206) disposta pelo menos parcialmente em torno do tambor separador rotativo (102), enquanto permitindo que o componente de densidade inferior prossiga através da saída (117).