BR112013008212B1 - Dispositivo de entrada para separador por gravidade - Google Patents

Abstract

dispositivo de entrada para separador por gravidade. a presente invenção refere-se a um dispositivo da entrada (17) para um separador por gravidade (18) para separar uma mistura fluida compreendendo gás e líquido. o dispositivo de entrada (17) compreende um bico de entrada (1) para a mistura fluida, uma câmara de distribuição (2) conectada ao dito bico de entrada para distribuir a mistura fluida a um ou mais ciclones axiais (3) constituindo uma parte integral do dispositivo de entrada (17) e sendo conectado à câmara de distribuição (2). os ciclones axiais (3) são fornecidos com uma abertura de entrada inferior, uma abertura de saída superior (9) para o fluxo de fluido rico em gás, um elemento indutor por redemoinho (21), uma ou mais aberturas (24) para permitir que o líquido deixe os ciclones axiais (3), e seja drenado a um nível abaixo do dispositivo de entrada (17).

Description

Introdução

A presente invenção se refere à separação das gotas de líquido de um fluxo de gás, particularmente na produção de óleo e gás. Mais precisamente, a presente invenção se refere a um dispositivo de entrada direcionado para uso em separadores por gravidade desenhada tipicamente para remoção de gotas de líquido de um fluxo de gás.

Antecedente da invenção

Durante a produção de óleo e gás de um reservatório subterrâneo, o fluxo do poço irá conter normalmente óleo, gás, água e algumas partículas sólidas. Para separar os vários fluidos e sólidos, um sistema do processo dedicado para o fluxo do poço é construído. A separação é feita em vários estágios, onde a "separação de volume" das várias fases é realizada por forças da gravidade sozinhas onde líquidos miscíveis são separados com base na diferença em densidades e a "fina separação" ou purificação é geralmente feita utilizando as forças centrifugais e as forças inerciais juntas com a força da gravidade.

Um desafio que aparece em muitos estágios de separação é remover as gotas de líquido de um fluxo de gás onde o conteúdo líquido no gás está baixo, tipicamente menor do que 3% em vol. di fluxo volumétrico total. É de extrema importância remover a maior parte deste líquido para proteger o equipamento a jusante como compressores e equipamento de desidratação onde apenas traços de líquido podem criar problemas operacionais. A seguir, separadores dedicados às misturas de separadas de gás/líquido contendo menos do que 3% em vol. de líquido é denotado depu- radores de gás.

Os depuradores de gás serão geralmente um recipiente vertical, mas também podem ser um recipiente horizontal ou uma combinação de um recipiente vertical e recipiente horizontal. Dentro do recipiente depurador de gás, a separação geralmente ocorre em vários estágios. Primeiro, o gás entra através de um bico de entrada, que - para depuradores orientados na vertical - podem estar localizados aproximadamente no meio do depurador na direção vertical. No bico de entrada uma placa interruptora ímpeto, um difusor cata-vento ou qualquer dispositivo pode estar localizado para distribuir os fluidos pela área transversal do separador. Já aqui, as maiores gotas 5 são separadas e caem no reservatório de líquido na parte inferior do separador.

O gás fluirá para cima em uma zona calma, ou zona de deposição, onde outras gotas devido à gravidade caem na superfície do líquido abaixo, de modo alternativo deposita na parede do separador e drena para 10 baixo ao longo deste.

Próximo ao topo do separador, o gás é forçado a passar pelo equipamento de separação de gota da tecnologia conhecida. Há principalmente três categorias do equipamento de separação de gota; almofada de malha, pacote em cata-vento e ciclones de fluxo axiais dispostos paralela- 15 mente. Por causa da queda de pressão pelo equipamento de separação de gota, o líquido separado é normalmente drenado no reservatório de líquido através de um dito tubo de drenagem, cuja extremidade inferior é submersa no reservatório de líquido.

É importante que o dispositivo separador de entrada seja corre- 20 tamente desenhado relativamente à área transversal do separador para remover quanto mais líquido possível para reduzir a quantidade de líquido inserida no equipamento de degelo. Isto é particularmente importante para os depuradores verticais e colunas contatoras utilizadas para remover o vapor aquoso de um fluxo de gás. Muito líquido inserido no equipamento de degelo 25 causado pelos dispositivos de entrada desenhados de forma insuficiente e/ou diâmetros do depurador muito pequenos com relação à vazão do gás são as principais razões para o mau funcionamento apresentado em um grande número de instalações do depurador. A maioria dos dispositivos de entrada da tecnologia conhecida usa apenas as forças da gravidade para 30 separar o líquido no compartimento de entrada do depurador, dando limites rigorosos às velocidades do gás antes das quantidades consideráveis de líquido seguido do gás ao equipamento de degelo. Ciclones de entrada substituíram com sucesso os dispositivos de entrada previamente usados nos separadores modernos da fase 2- e 3- onde o conteúdo líquido é alto, tipicamente acima 5% em vol., mas o os dispositivos de entrada descritos como difusores cata-vento ainda representam a tecnologia do estado da técnica no depuradores de gás verticais onde a fração do líquido é menor do que 3% em vol.. Recentemente, os dispositivos de entrada do ciclone também são aplicados nos depuradores de gás. Entretanto, alguns problemas operacionais associados aos dispositivos de entrada do ciclone usados nos depuradores de gás serão explicados a seguir.

Uma descrição mais detalhada da técnica anterior é dada na parte específica da descrição com referência aos desenhos.

Objetivo

O objetivo da presente invenção é fornecer um dispositivo de entrada mais eficiente para um separador por gravidade ou gás depurador para separar uma mistura fluida compreendendo gás e líquido, para melhorar toda a eficiência do separador ou depurador.

A presente invenção

O objetivo mencionado acima é realizado com a presente invenção, que é um dispositivo de entrada conforme definido pela reivindicação 1. As modalidades preferidas da invenção são reveladas pelas reivindicações dependentes. O recipiente do depurador tipicamente será um separador por gravidade vertical, mas também será um recipiente horizontal ou uma combinação de um recipiente horizontal e um recipiente vertical tipicamente compreendendo: • um recipiente que tem um compartimento superior preenchido com gás e um compartimento inferior preenchido com líquido • uma seção de entrada geralmente desenhada para reduzir o ímpeto de entrada do tubo no recipiente e garantir uma boa distribuição do fluxo no recipiente, há seções de entrada que têm o objetivo de fazer uma pré-separação de líquido do gás e a presente invenção representa tal dispositivo. uma unidade de aglomeração colocada entre a seção de en- trada e a última seção de tratamento usada para aumentar o tamanho da gota e melhorar a distribuição de gás e de líquido no último estágio de tratamento no recipiente. • um estágio de tratamento de degelo para remoção dos traços de líquido no tubo de descida para transportar o líquido removido no último dispositivo de tratamento de volta à seção inferior preenchida com líquido do recipiente • um tubo de descida para transportar o líquido removido no último dispositivo de tratamento atrás da seção do líquido inferior preenchido no recipiente • uma abertura de saída inferior para descarregar substancialmente a parte da mistura contendo líquido do compartimento inferior • uma abertura de saída superior para descarregar substancialmente a parte da mistura contendo gás do compartimento superior

A nova invenção será a seção de entrada no recipiente do depu- rador e será desenhada como um estágio de pré-tratamento que deveria ser capaz de remover a maior parte do líquido. As intenções do desenho é que a dita entrada deveria remover mais do que 90%, mas tipicamente 99% ou mais do líquido antes do gás ser introduzido ao recipiente. Pela remoção da maior parte do líquido a qualidade do gás fora do recipiente será melhorada.

A nova seção de entrada tratará a mistura de entrada usando forças centrifugais e comprometerá tipicamente: • uma câmara de distribuição de entrada que distribuirá a mistura que entra no recipiente através do bico de entrada em um ou mais dispositivos de entrada para o fluido. A câmara de distribuição geralmente também terá uma saída que permite que qualquer líquido separado dentro da câmara de distribuição flua para o recipiente vertical. • um ou mais dispositivos em paralelos montados na câmara de distribuição de entrada para tratar a mistura de gás-líquido tipicamente compreendendo o um tubo cilíndrico o um elemento indutor por redemoinho para ajustar o fluxo no fluxo giratório localizado próximo à seção de entrada o uma abertura de saída a jusante do elemento do fluxo para substancialmente a parte da mistura contendo gás sair do dispositivo de tratamento o uma abertura de saída a jusante do elemento do fluxo onde a parte da mistura contendo líquido substancial pode sair do dispositivo de tratamento geralmente lateral ao eixo do cilindro. o uma câmara de coleta para substancialmente a parte da mistura que contém líquido que coleta esta mistura e guia esta embaixo da seção de entrada do recipiente

De acordo com a invenção o recipiente da gravidade horizontal ou vertical conterá um recipiente interno que distribui o gás em um conjunto de ciclones onde o fluido de entrada é ajustado na rotação por meios de um dispositivo indutor por redemoinho sendo delimitado para fora pelo corpo do ciclone de modo que o fluido de entrada seja exposto a uma força centrifugal além da força da gravidade. A maior parte do líquido, por causa da força centrifugal, será separada imediatamente em direção às paredes do ciclone e seguem a parede até que saia das aberturas lateralmente dispostas. Em algumas disposições o gás pode ser permitido seguir o líquido através das aberturas do líquido. A mistura com o gás sairá do tubo de ciclone na extremidade oposta da entrada com o elemento indutor por redemoinho. O dispositivo separador está de acordo com a tecnologia conhecida, normalmente denotada como ciclones axiais do fluxo ou ciclones de degelo. Os ciclones axiais são bem adequados para uma mistura multifásica que consistirá principalmente de gás. O gás passará o tubo em uma única passagem da entrada à saída. Isto é diferente de um ciclone reversível para gás onde o gás sai no topo do ciclone. O gás que tem tipicamente mais do que 97% do volume na alimentação precisará virar para dentro do ciclone antes de sair do ciclone. Assim, aproximadamente metade da área de fluxo disponível deveria idealmente ser usada para o movimento do gás para cima no ciclone e a metade da área de fluxo disponível deveria ser usada para o movimento do gás para baixo no ciclone. Para o ciclone axial do fluxo o gás utilizará toda a seção que flui da entrada em um lado em direção à saída no outro lado e assim será mais bem adequado para um fluxo que contém principalmente gás.

O tubo de entrada no recipiente é conectado à câmara de distribuição de entrada que distribui o gás e o líquido nos tubos de ciclones verticalmente orientados. Qualquer líquido separado pela gravidade na câmara de entrada a montante do ciclone será drenado em um tubo separado da câmara de entrada. Os tubos de ciclone são desenhados como ciclones onde o gás é definido em rotação em um elemento de giro na extremidade de entrada e sai na saída da outra extremidade do ciclone. O fluxo de gás então nunca será revertido como em ciclones de gás reversíveis e isto permite velocidade mais alta de gás nos ciclones axiais do fluxo. O líquido que atinge a parede interna do ciclone é drenado através de fendas na parede do ciclone nas câmaras coletoras de líquido externo. O líquido é então drenado das caixas coletoras de líquido embaixo da seção de entrada. A invenção é ainda descrita com referência à seguir. A invenção separará o gás do líquido utilizando ciclones axiais do fluxo. O líquido e o gás então serão introduzidos como um fluxo contendo gás predominantemente e um fluxo contendo líquido predominantemente no separador por gravidade em uma pressão comum. Isto é diferente de outros tipos de entrada onde o gás e o líquido saem do recipiente nas câmaras diferentes com a pressão diferente.

A presente invenção tem o objetivo de utilizar os melhores elementos de cada uma das tecnologias de separação previamente descritas para atingir um separador eficiente em vazões de gás mais altas. A invenção é para um separador de dois estágios onde a separação ocorre em dois estágios separados. O gás então passará por dois estágios de depuração onde o primeiro remove o volume do líquido tipicamente 98 % ou mais e o segundo limpa o líquido que permanece no gás tipicamente mais do que 98% do líquido restante garantindo uma alta eficiência. A presente invenção direcionará as questões com a tecnologia atualmente conhecida e pode ser compacta, tem baixa queda de pressão e poderá combinar os fluxos de líquido do 1o e do 2o estágios de tratamento dentro do recipiente. As diferenças de pressão são todas equilibradas usando os tubos de descida e as diferenças de peso entre os elementos individuais.

A invenção usa ciclones axiais do fluxo onde a mistura de gás e líquido entra no ciclone em um lado e o gás sai do outro lado do tubo. O líquido será extraído através da parede do ciclone através das aberturas desenhadas para extrair o liquido do fluxo de gás. A vantagem de usar os ciclones axiais do fluxo para depurar onde o conteúdo de gás tipicamente i entre 95% e 100% volumétrico é que diferentes ciclones reversos geralmente usados o gás utilizará todo o corpo do ciclone para separação e apenas faz uma passagem através do ciclone. Para os ciclones de fluxo reversos o fluxo de gás será primeiro para baixo no ciclone antes de girar e sair do ci-clone na mesma extremidade que a entrada.

O presente dispositivo de entrada significa depuradores de vários estágios onde o líquido é separado do gás em vários estágios. O gás então será tratado em vários estágios consecutivos e haverá uma queda de pressão para cada um destes estágios. O líquido separado nos diferentes estágios deverá ser misturado mesmo se a pressão no recipiente variar através do recipiente.

O desenho comum do depurador terá uma entrada que não faz qualquer separação. Então há um volume do recipiente que faz a separação de volume onde uma grande parte do líquido é separada. O gás passará uma seção de união e distribuição do fluxo que geralmente é uma almofada de malha ou um pacote em cata-vento antes do desembaçador. O desem- baçador pode ser outra almofada de malha ou pode se um pacote em cata- vento ou ciclones de degelo que causam alguma queda de pressão. Para transportar o líquido do desembaçador para baixo no bloco de líquido um tubo ou o chamado tubo de descida é usado. O tubo de descida se estende da seção do desembaçador no bloco de líquido. A diferença na pressão entre a câmera de coleta de líquido no tubo de descida e o bloco de líquido no recipiente será compensada pelo líquido sendo elevado no tubo de descida.

A invenção agora será descrita em mais detalhes com referência aos desenhos, que também mostra os exemplos da tecnologia da técnica anterior. Lista dos desenhos

A Figura 1 é uma vista esquemática de uma modalidade da presente invenção.

A Figura 2 é uma vista transversal do depurador de gás da técnica anterior equipado com um dispositivo de entrada do difusor cata-vento, equipamento de degelo e tubo interno de drenagem.

As Figuras 3a, b, c, d, e mostram o princípio funcional de ciclones axiais do fluxo que são usados para separar na nova seção de entrada.

As Figuras 4 a-b mostram vistas transversais do depurador de gás da técnica anterior equipado com um dispositivo ciclônico de entrada, equipamento de degelo e tubo interno de drenagem,

A Figura 5 mostra uma vista transversal de um depurador ciclônico de único estágio da técnica anterior.

A Figura 6 mostra uma vista transversal de uma técnica anterior depurador em linha de único estágio.

As Figuras 7a, b, c mostram vistas transversais da entrada do depurador multiciclone da técnica anterior disposta em um recipiente vertical do depurador.

A Figura 8 mostra vistas transversais de depuradores que usam a extensão do tubo de entrada como um ciclone.

A presente invenção é um dispositivo de entrada que pré- separará o líquido do gás antes do gás entrar no separador por gravidade. A invenção conforme instalado em um recipiente do separador por gravidade é mostrado na Figura 1. O gás e líquido entra no separador por gravidade a- través do bico de entrada 1 e passa através da abertura de entrada 31 do dispositivo de entrada de acordo com a presente invenção e entra na câmara de distribuição 2 que é usada para distribuir gás e líquido uniformemente nos ciclones 3 montados no topo do dispositivo de entrada. Na Figura 1 os ciclones axiais 3 são montados juntos na câmera de coleta de líquidos 8. O número de ciclones axiais do fluxo 3 nestas câmaras 8 varia. Pode haver alguma separação of líquido na câmara de distribuição 2. Este líquido que separa na câmara de distribuição é transportado para fora e abaixo da seção de entrada através de um tubo de drenagem de líquido 4. Este será um fluxo que contém parte do líquido do líquido e a saída deste tubo é estendido embaixo da câmara de distribuição 2 no recipiente da gravidade 19. O volume principal de gás será transportado através dos ciclones axiais do fluxo 3 onde o líquido é separado do gás usando a força centrifugal.

Um dos benefícios a presente invenção é o uso de elementos paralelos para a separação. Estes elementos serão pequenos na dimensão comparados ao tamanho do recipiente vertical. Para grandes depuradores com alta carga de gás a adição de mais ciclones em paralelos para capacidades mais altas manterão a alta eficiência que representa um desafio para separadores que dependem da força centrifugai auxiliando a separação quando usada em recipientes maiores do separador.

O ciclone separará a mistura de entrada em uma parte que contém a parte principal do líquido que terá uma saída 5 embaixo da seção de entrada. Visto que há pressão mais alta na câmera de coleta de líquido do ciclone 8 do que no recipiente certo gás pode seguir o líquido no tubo de descida 5. Haverá certo gás associado com o líquido no tubo de drenagem de líquido 4 e no tubo de descida 5. A quantidade de gás será tipicamente menor do que 20% do gás total e a carga de gás embaixo da seção de entrada serão baixas. A pequena quantidade de gás que segue o líquido embaixo da seção de entrada cairá pela gravidade e será polida na almofada de malha 6. A quantidade de líquido separado nos ciclones e transportada embaixo da seção de entrada será tipicamente mais do que 99% do total de líquido na alimentação. Embaixo da seção de entrada haverá uma mistura de gás-líquido que tipicamente contém menos do que20% do gás e 99% ou mais do líquido no bico de entrada. O líquido então será separado na zona embaixo da seção de entrada tanto pela gravidade quanto na almofada de malha 6 e cairá no bloco de líquido 7 do separador por gravidade antes do líquido sair do recipiente através do bocal de saída do líquido 20. O gás que segue o líquido embaixo da seção de entrada fluirá para cima depois da seção de entrada e será misturado com a parte principal do gás que sia atra- vés do topo dos ciclones e na zona acima 19. O fluxo de gás que segue o líquido embaixo da seção de entrada conterá tipicamente 99% ou mais do líquido enquanto a quantidade de gás representará tipicamente menos do que 20% do fluxo de gás total. O líquido deve ser separado deste fluxo de gás deslizante antes de ser recombinado com o gás que sai do topo dos ciclones 9. O líquido que segue o gás na face inferior da seção de entrada será separado no espaço embaixo da seção de entrada. A separação será parcialmente devido à gravidade. A carga de gás embaixo da seção de entrada será muito menor do que a montante da seção de entrada visto que apenas tipicamente 20% ou menos do gás sairá através do tubo de descida 5. A baixa carga de gás embaixo da seção de entrada reduzirá o arrastamento do líquido. Além disso, a baixa carga de gás tornará este volume bem adequado para uso de uma seção desembaçadora tradicional para limpeza do gás. Isto tipicamente será uma almofada de malha 6, mas o desembaçador também pode ser um pacote em cata-vento para limpezas de incrustações. O desembaçador garantirá que o gás que seguiu o líquido embaixo da seção de entrada está limpo. A seção de entrada será tipicamente desenhada para atingir 99% ou mais da eficiência da separação.

O líquido que é separado nos ciclones 3 é drenado através do dispositivo de entrada usando tubos de descida 5. Os tubos de descida 5 que se estendem através do dispositivo de entrada também agirão como suporte mecânico do dispositivo de entrada. A disposição dos tubos de descida 5 embaixo da seção de entrada pode estar disposta de modo que cada um dos tubos de descida seja estendido embaixo do dispositivo de entrada. A tubulação dos ciclones também pode ser coletada em manifoldes de onde um ou mais tubos são estendidos para baixos destes manifoldes.

Uma opção de deixar o gás seguir o líquido embaixo da seção de entrada é deixar o tubo de descida 5 se estender no bloco de líquido 7 no separador por gravidade. Pela extensão dos tubos no líquido, os tubos serão selados no bloco de líquido e apenas o líquido fluirá no tubo de descida. A vantagem de tal configuração será que não haverá fluxo de gás embaixo da seção de entrada associado com o fluxo de líquido através do tubo de desci- da 5 que precisa ser tratado no recipiente.

Para os casos onde os tubos de descida não se estendem no bloco de líquido um deve preferivelmente usar um difusor 13 na extremidade de cada tubo de descida. O difusor reduzirá o ímpeto do gás pelos tubos. Além disso, o difusor deve ser desenhado de modo que o fluxo de gás seja direcionado horizontalmente no recipiente e não para baixo. A velocidade do gás do tubo de descida não deve ser direcionada diretamente em direção ao bloco de líquido no recipiente para reduzir o rearrastamento do líquido do recipiente

Uma alternativa quanto à tubulação descrita embaixo da câmara de entrada para o fluxo rico em líquido dos ciclones é um no qual o líquido é permitido fluir livremente da câmera de coleta de líquido 8 através dos furos na câmera de coleta de líquido 8 no separador por gravidade 19. Por causa da pressão mais alta na câmera de coleta de líquido 8 o líquido conterá algum gás ao entrar no separador por gravidade 19. A mistura rica em líquido da câmera de coleta de líquido 8 então será tipicamente drenada no topo da câmara de distribuição 2 em vez de guiada embaixo da seção do líquido u- sando os tubos de descida 5.

O fluxo do topo dos ciclones 9 será principalmente o gás com traços de líquido. O gás que sai pelo topo dos ciclones será misturado com o gás que sai com o líquido que surge ao redor da seção de entrada. O gás então será ainda tratado para limpar os traços de líquido. Tipicamente o gás será tratado em uma almofada de malha 10 para melhorar a distribuição do fluxo e aglomerar as gotas em gotas maiores antes do gás fluir em uma seção de degelo aqui mostrado como ciclones axiais do fluxo 11 para remover os traços finais do líquido no fluxo de gás antes do gás tratado sai do recipiente do separador por gravidade através do bocal de saída do gás 12. A vantagem da nova entrada 17 é que melhora a qualidade do gás no recipiente pela remoção do volume do líquido já na seção de entrada. Todo o líquido removido do fluxo de gás será a soma do líquido removido na entrada e o líquido removido no recipiente e desembaçador. Pela redução da carga do líquido no recipiente através da separação do líquido na entrada a quantida- de total de líquido carregada do depurador também será reduzida.

Para controlar a quantidade do gás que segue o líquido separado dos ciclones axiais, a drenagem do líquido para o dispositivo de entrada pode ser substituída por qualquer dispositivo resistente à pressão, ou ciclones axiais do fluxo que estão localizados na face inferior da câmara de entrada em vez do tubo de drenagem de líquido 4 da câmara de distribuição 2. Os ciclones que substituem o tubo de drenagem 4 podem ser semelhantes aos ciclones direcionados para cima. Qualquer líquido separado na câmara de distribuição 2 pela gravidade drenará através dos ciclones na face inferior da câmara. A quantidade de gás tratada pelos ciclones que tem uma saída do gás na face inferior da câmara de entrada será menor tipicamente para os ciclones que são direcionados para cima, mas tipicamente menor do que 20% do fluxo de gás total na entrada 1. O gás que é tratado embaixo da câmara de entrada terá que passar pela seção de entrada novamente na forma para cima que aumeta a carga de gás quando o fluxo de gás que passa pela seção de entrada visto que a própria seção de entrada deslocará certa da área do fluxo disponível.

A câmara de distribuição de entrada 2 é desenhada para garantir que a alimentação de entrada seja uniformemente distribuída nos vários ciclones 3 montados na câmara de entrada. O desenho da câmara de distribuição de entrada 2 reflete isto onde a câmara de distribuição de entrada tem uma área de fluxo transversal maior próxima ao bico de entrada do que longe do bico de entrada tipicamente atingido por uma face inferior inclinada da câmara de distribuição de entrada, de modo que a câmara de entrada seja mais alta próximo ao bico de entrada e tenha a altura mais baixa na extremidade oposta da seção de entrada. Além disso, podem estar dispostos cata- ventos na entrada para auxiliar a espalhar o fluido de entrada por todo o corte transversal da câmara de distribuição de entrada para melhorar a distribuição do fluxo na câmara de entrada.

O desenho da câmara de distribuição de entrada 2 também pode considerar a drenagem de sólidos da câmara. Para aplicações onde o fluido contém grandes quantidades de sólidos o desenho da câmara de distribui- ção de entrada 2 deve ser desenhado inclinado para baixo para garantir que nenhum acúmulo de sólidos no fundo das câmaras de entrada. As placas devem ser tipicamente inclinadas a 45° ou mais em direção ao tubo de drenagem 4 da câmara de distribuição de entrada para garantir que os sólidos não acumulem no fundo da câmara de distribuição 2, mas deslize para baixo através do tubo de drenagem 4 auxiliado pela gravidade.

Comparação técnica com a tecnologia da técnica anterior.

A Figura 2 mostra um separador para remoção de uma névoa de gotas de acordo com a tecnologia conhecida, compreendendo um dispositivo de entrada do difusor cata-vento 102 que recebe o gás de entrada do bico de entrada 101 da forma mais gentil possível e distribui a mistura de gás e líquido na zona de separação 109 uniformemente para usar o volume do recipiente. Nos separadores por gravidade de dois estágios a zona 109 representa o 1o estágio de separação onde o líquido é separado do gás devido à gravidade. A eficiência da separação será uma função da quantidade of gás. O tamanho do recipiente será então decidido para garantir a eficiência do depurador pelo controle da carga do gás no recipiente. O dispositivo de entradda do difusor cata-vento é atualmente a tecnologia preferida do dispositivo de entrada em depuradores de gás.

O gás que passa pela zona de separação 109 conterá tipicamente muitas gotas pequenas e algumas médias que entram no equipamento de degelo 111, aqu ilustrado como ciclones axiais do fluxo, onde outras quantidades de líquido são separadas. O líquido separado pelo equipamento de degelo 111 é coletado em uma câmara 113, e então drenado através do tubo de descida 115. Conforme explicado previamente, a pressão a jusante dos ciclones axiais do fluxo será menor do que a pressão a montante dos ciclones axiais do fluxo, e assim o tubo de descida 115 deve ser submerso no bloco de líquido 107 para evitar a contracorrente do fluxo do gás com o líquido no tubo de descida 115 devido à diferença de pressão. A coluna do líquido levantado no tubo de descida 115 equilibra esta diferença de pressão entre a câmara 113 e a zona do separador por gravidade 109. O nível de líquido 116 no tubo de descida 115 será então mais alto do que o nível do bloco de líquido 107 no depurador. A altura disponível acima do nível de líquido 116 é um parâmetro de desenho com relação ao dimensionamento do depurador de gás. Em vazões do gás muito altas com relação à altura do depurador, o líquido será sugado na câmara 113 e ainda na saída do gás 112 que é crítica para a operação.

Ciclones axiais do fluxo será uma parte integrada da presente invenção e vários tipos de ciclones axiais do fluxo são conhecidos. A Figura 3a mostra um exemplo de um ciclone de fluxo axial da categoria conhecida, ou seja, descrito nos pedidos de patente PCT/NL97/00350, PCT/NL99/00677 e NL20001016114. O conceito "ciclone axial" é devido ao fato de que o transporte principal do gás está na direção longitudinal do ciclone onde a entrada do fluxo é orientada no lado oposto da saída do gás. Haverá um mínimo do elemento indutor por redemoinho orientado em direção ao lado da entrada do ciclone. Tipicamente o ciclone terá fendas ou perfurações nas partes do tubo de ciclone para permitir que a fase líquida saia do ciclone lateralmente. Os ciclones axiais do fluxo foram instalados com sucesso para aplicações de degelo de alta pressão por causa da baixa queda de pressão e alta eficiência de separação. O ciclone de fluxo axial 29 compreende um tubo cilíndrico no qual o gás está passando. Dentro do tubo um elemento indutor por redemoinho 21 está disposto e compreende um corpo concêntri-co simétrico do eixo com cata-ventos imóveis 22 que ajusta o fluxo de gás na rotação na câmara de separação 23. Por causa do movimento rotacional do gás, as gotas de líquido devido à diferença de densidade serão jogadas em direção à parede do tubo de ciclone 29. O líquido que atinge a parede do ciclone formará um fino filme líquido que será removido do fluxo de gás atra-vés da parede do tubo de ciclone 29 através das fendas 24 dispostas na extremidade de saída do ciclone. O líquido será coletado em uma câmara de drenagem 25 onde o líquido é coletado e drenado através do tubo de descida 26 à seção do líquido do separador.

Na Figura 3b o ciclone está disposto como um ciclone to tipo de recirculação onde um pequeno fluxo de gás sai do ciclone através das fendas 24 antes de ser reintroduzido no ciclone através do centro do element indutor por redemoinho 21. Isto é feito para auxiliar o líquido a passar pelas fendas 24. O fluxo de limpeza do gás é normalmente estabelecido para fornecer um fluxo líquido de gás das fendas na mesma direção que o líquido. Isto é obtido pela conexão da câmara de drenagem 25 na área de pressão baixa no centro do tubo de ciclone 29, através de um canal 27 conectado à passagem de fluxo côncava central 28 no elemento de redemoinho ou cascata em cata-vento 21. Este gás de limpeza é tipicamente 2-10% do fluxo de gás total. O gás de limpeza representa um loop da câmara de separação 23 para a câmara de drenagem 25 e de volta à câmara de separação 23. O fluxo de limpeza também soprará o líquido que segue o elemento indutor por redemoinho 21 como um filme.

A Figura 3c mostra outra variação de um ciclone de fluxo axial usado para que não tenha recirculação de gás da drenagem da câmera de líquido 25. O principal fluxo de gás entra no ciclone através da abertura 20 e é ajustado na rotação pelo elemento indutor por redemoinho 21. O líquido mais pesado é jogado em direção à parede do tubo de ciclone 29 pela aceleração centrifugai e forma um filme dentro do ciclone. O filme líquido é então removido da parede do ciclone pelas fendas 24 e é coletado na drenagem da câmera de líquido 25. Isto é semelhante a dois dos ciclones previamente discutidos e mostrados na Figura 3a e na Figura 3b. A diferença é que esta versão tem um canal 30 através do elemento indutor por redemoinho 21 onde uma pequena parte do gás na entrada passará. O canal 30 é preferivelmente equipado com as entradas tangenciais ou cata-ventos guias para também colocar este fluxo na rotação. A pequena quantidade de gás que passa pelo canal 30 é usada para soprar qualquer líquido que segue o elemento indutor por redemoinho 21 na câmara de separação 23.

Os ciclones na Figura 3 a,b,c podem ainda ser equipados com duplos cata-ventos curvados. Os duplos cata-ventos curvados conforme descrito na patente WO 03039755 dará uma melhor separaço desde que o fluxo de rastejo do líquido ao pelos cata-ventos seja forçado em direção ao lado externo dos cata-ventos por sua geometria. Os duplos cata-ventos curvados serão configurados para atingir velocidade tangencial mais alta próxi- ma ao centro do ciclone do que na parede e assim atingirá uma velocidade tangencial no recipiente que é semelhante ao vórtice livre configurado pelos fluxos do fluido de rotação livre governados pela conservação do ímpeto angular.

Na Figura 3d e na Figura 3e, elementos indutores por redemoinho alternativos são mostrados. Na Figura 3d um ajuste dos cata-ventos guias tangenciais 32 são usados para ajustar o fluxo na rotação. Na Figura 3e a porta tangencial é usada para ajustar o fluxo na rotação. A funcionalidade dos ciclones conforme mostrado na Figura 3d e na Figura 3e é semelhante aos ciclones mostrados nas Figuras a, b, c a jusante do elemento indutor por redemoinho.

A Figura 4a mostra uma vista transversal de um depurador de gás previamente conhecido equipado com um dispositivo ciclônico de entrada, equipamento de degelo e um tubo interno de drenagem conforme descrito no pedido de patente UK GB2329857. Esta configuração é caracterizada em que a conexão entre o bico de entrada 51 e um ou mais ciclones através de uma câmara de distribuição 52. O tubo de ciclone tem um elemento indutor por redemoinho 53 para girar o fluido de entrada na rotação dentro do tubo de ciclone 54. Na Figura 4a, o elemento indutor por redemoinho é mostrado como uma cascata em cata-vento, mas o redemoinho também poderia ser induzido usando uma ou mais entradas tangenciais no ciclone. A maior parte do líquido é separada no tubo de ciclone 54 por meios das forças cen-trifugais a jusante do elemento indutor por redemoinho 53, após o gás rotacional sair do tubo de ciclone 54 através de um tubo da saída do gás 55. Outra remoção de gota é feita por ciclones axiais do fluxo 56 a montante da saída do gás do depurador 57. O líquido separado nos ciclones axiais do fluxo 56 é drenado através de um ou mais tubos de descida 58 de volta ao bloco de líquido do recipiente. O líquido separado no tubo de ciclone 54 drenará ao longo da parede interna do tubo de ciclone 54, e guiado através da saída do líquido 59 do ciclone. O nível de líquido 61 no separador é normalmente controlado por uma válvula na saída de líquido do separador 60.

Uma desvantagem substancial que usa este tipo de entrada ci- clônicas é o risco de avanço de gás na saída do tubo de ciclone do líquido 59. Por causa da queda de pressão da saída do elemento indutor por redemoinho 53 no topo da tubo da saída do gás ou localizador de vórtice 55, a pressão na superfície do líquido 63 dentro do ciclone será mais alta do que a pressão na superfície do líquido 61 na zona de deposição dos separadores 62. Se a queda de pressão for muito alta, a superfície do líquido 63 dentro do tubo de ciclone 54 será forçada para baixo na saída do tubo de ciclone do líquido 59, e o gás será soprado da saída do líquido, causando espuma e subsequentemente arrastamento do líquido ao bocal de depuração de saída do gás e o líquido contaminado com gás na saída do líquido. A partir desta situação, todo o depurador pode "acabar". A queda de pressão pela saída do gás é causada pelo aumento de velocidade quando o gás passa pelo elemento indutor por redemoinho ou saída da cascata em cata-vento 53 na saída do gás 55. O aumento da velocidade tem duas razões; i) o gás atinge uma alta velocidade axial quando é forçado através do tubo da saída do gás 55) e ii) o componente rotacional do gás, devido à conservação do aumento do ímpeto rotacional, aumentará, pois o gás é forçado em um diâmetro menor. O efeito posterior explica porque "ice-ballerina" aumenta sua velocidade rotacional quando puxa seus braços em direção ao seu corpo. De acordo com a lei da conservação de ímpeto (equação de Bernoulli), o aumento da velocidade total então exigirá uma queda na pressão (pressão na zona de deposição 62 é inferior à pressão dentro do tubo de ciclone 54). As vazões do gás elevadas então atinge a velocidade total elevada e consequentemente a queda de pressão elevada.

Outra desvantagem é a utilização do volume do fluxo no ciclone. Por causa do layout geométrico do ciclone onde a saída do gás está localizada na mesma extremidade que a entrada do ciclone o gás tem que fluir para baixo no tubo de ciclone 54 onde o gás separação do líquido ocorre. Após a separação do líquido do gás o gás limpo flui na direção oposta através do tubo da saída do gás 55. Se o tubo da saída do gás 55 representa 50% da área do fluxo no ciclone a área fora da saída do gás será os outros 50%. Assim a velocidade do gás no ciclone será pelo menos duas vezes o ciclone axial conforme mostrado na Figura 3 a-e onde a entrada e a saída estão localizadas em cada lado do tubo de ciclone. As velocidades elevadas do gás dentro do ciclone atingirão a queda de pressão elevada e o desempenho de separação reduzido.

Outra desvantagem da utilização do dispositivo ciclônico de entrada conforme mostrado na Figura 4a é a dificuldade de estabelecer uma disposição prática da câmara de distribuição 52, particularmente em casos onde os separadores internos devem ser substituídos. Nestes casos uma conexão aparafusada tem que ser feita entre o canal de distribuição, a parede do separador e os tubos de ciclone, causando limitações ao tubo de diâ-metro do ciclone e/ou números de tubos de ciclone que podem encaixar no recipiente. Se o tubo de ciclone não deve ser substituído, a câmara de distribuição 52, que então deve ser cilíndrica, é soldada na parede do separador.

A última desvantagem do ciclone conforme ilustrado na Figura 4a é que dará o transportador de líquido considerável do lado do gás do ciclone. É difícil de atingir dois lados de limpeza dos ciclones e é geralmente priorizado obter um lado do líquido de limpeza. O resultado é que o lado do gás será bastante contaminado.

A Figura 4b mostra uma variante desta tecnologia onde a saída do líquido 59 do ciclone não está submersa. A vantagem é que este ciclone não atingirá o carregador de gás no bloco de líquido dentro do recipiente. A desvantagem é que a saída do líquido conterá gás que deve ser tratado na parte inferior do recipiente. A outra desvantagem é a distância relativamente longa necessária sob a entrada para o ciclone que exige um recipiente alto.

A Figura 5 mostra uma vista transversal do separador por ciclone de único estágio conhecido previamente, que, por exemplo, é descrito na patente norueguesa NO175569. Tal configuração é caracterizada em que a separação do líquido ocorre em um único estágio, e que o recipiente de pressão representa o tubo de ciclone. Principalmente, o separador do ciclone mostrado na Figura 5 é semelhante ao ciclone de entrada mostrado na Figura 4a, mas aqui a parede do recipiente da gravidade 74 é suado como o corpo do ciclone. O separador tem um elemento indutor por redemoinho 73 que ajusta o fluido de entrada no movimento de redemoinho. O líquido é separado no separador do ciclone pelas forças centrifugais a jusante do elemento indutor por redemoinho 73. O gás limpo então vira e flui através da saída do gás 75, que é conectado ao bocal de saída do gás 77 do separador. Nenhuma outra remoção de gota é feita e este é então um recipiente do depurador de único estágio. O líquido separado no separador do ciclone é drenado ao longo da parede interna dos separadores do ciclone 74 e carregado através do bocal da saída do líquido dos separadores de ciclone 70. A vantagem com tal disposição comparada aos ciclones de entrada é a eliminação de problemas relacionados ao carregador de gás por causa do nível de líquido 72 no separador do ciclone ser diretamente medido e controlado. A desvantagem com a disposição é a separação menos eficiente, pois o e- quipamento de remoção de gota a jusante não está presente. A patente descreve um único ciclone que terá um diâmetro semelhante ao diâmetro do recipiente. Também há uma solução delineada usada dentro do recipiente onde há uma unidade que está localizada na extensão do tubo de entrada e que usa o tubo como o perímetro externo para o recipiente. Isto é diferente da patente atual que usa uma câmara de distribuição na frente dos ciclones axiais. O uso de uma câmara de distribuição e de vários ciclones axiais terá várias vantagens comparadas a um único ciclone. A eficiência do ciclone será uma função do diâmetro do ciclone e a carga de gás. Um ciclone é baseado na aceleração elevada em um campo de separação rotacional. A ace- w2 leração é expressa como a = —, onde a é a aceleração em m/s, w é a velo- r cidade tangencial e r é o raio. Assim para manter uma alta aceleração centrifugai e acionar a força para a separação um deve aumentar a velocidade tangencial ao aumentar o raio do ciclone. A velocidade mais alta aumentará o cisalhamento imposto no filme líquido do gás dentro do ciclone. Isto aumentará o rearrastamento do líquido e a eficiência como função da carga de gás reduzirá com o aumento da carga de gás ou velocidade. Se tal único ciclone deve ser escalado bem como com relação ao raio o comprimento do ciclone aumentará linearmente com o aumento do raio e o comprimento do ciclone sendo tipicamente 5-10 vezes o diâmetro do ciclone o comprimento do ciclone será um problema para o recipiente. A presente invenção fornece uma ótima relação entre a carga de gás e as velocidades nos ciclones desde que os elementos do ciclone sejam desenhados semelhantes para todas as baixas taxas. Quando a vazão do gás aumenta, o número de ciclones em paralelo será aumentado.

A Figura 6 mostra um exemplo de um ciclone previamente conhecido descrito em GB1233347A. O gás entra no ciclone no final e é aju- satdo na rotação no dispositivo indutor por redemoinho. O elemento indutor por redemoinho consiste em um cubo côncavo 81 e cata-ventos 82 que se estendem entre o dito cubo 81 e a parede do ciclone 89. A velocidade rotacional do gás que move dentro ciclone cria um campo centrifugai que força as partículas mais pesadas do líquido a sair em direção à parede do ciclone. O líquido que atinge a parede externa será coletado e formará um filme. Na extremidade do tubo de ciclone está uma lacuna 84 onde este filme líquido é permitido fluir ao anel entre a parede do recipiente 86 e a parede do ciclone 89. Uma pequena porcentagem do gás também é permitida seguir o líquido e será recirculada no centro do ciclone através do centro do cubo indutor por redemoinho 81 através da lacuna 84. O gás é introduzido ao centro do ciclone onde a pressão é baixa devido ao fluxo rotacional. O líquido fluirá ao anel e será coletado na câmera de coleta de líquido. O gás sai do ciclone através de uma seção do tubo inserida 87 geralmente referida como um localizador de vórtice. O layout conforme mostrado na Figura 6 é geralmente referido como um depurador de único estágio visto que o gás é separado em um único estágio.

A Figura 7 mostra um exemplo da entrada do multi ciclone previamente conhecida é descrita em US2372514. O fluido de entrada contendo gás, fluidos e possíveis sólidos entram no recipiente através do bico de entrada 91 na câmara de distribuição 92. O gás é separado do líquido e sólidos nos multiciclones 93 e o gás é coletado no compartimento de gás 99 acima dos ciclones antes de sair através do bocal de saída do gás 97. O líquido e sólido caem no compartimento líquido 94 do recipiente onde o líquido e sólidos são removidos através do bocal 90. Os sólidos podem ser removidos nas linhas de limpeza separadas se estabelecer no fundo do recipiente. A separação de gás e líquido será nos ciclones e a pressão na câmara de distribuição de entrada 92, o compartimento de gás 99 e a câmera de líquido 94 serão diferentes e estes são fisicamente separados. Este separador também dependerá de uma separação de único estágio que não será necessária nos fluxos de entrada dentro do recipiente como depuradores de dois estágios.

Um detalhe de um multi ciclone 93 na Figura 7a é mostrado em detalhes na Figura 7c. O fluxo entra através da entrada tangencial 95. O gás, líquido e sólidos são colocados em rotação através das portas de entrada 95. O líquido é jogado em direção ao corpo do ciclone 96 enquanto o gás migra em direção ao centro do ciclone e sai através da saída do gás 97 ge-ralmente referida como um localizador de vórtice. O corpo do ciclone 96 terá geralmente uma seção cônica em direção à saída do líquido 100. A forma cônica da saída do líquido ajudará a transportar o líquido para fora do ciclone. O campo rotacional dentro do ciclone cria uma aceleração centrifugai geralmente várias décadas mais altas do que a aceleração da gravidade. O campo centrifugai alto ajustará os gradientes de pressão que são orientados radialmente com relação ao eixo do ciclone. Qualquer filme líquido dentro do ciclone na seção cônica será então transportado pelos gradientes de pressão em direção ao centro do ciclone e à saída do líquido 100. O desafio principal usando as entradas multi ciclone é a alta queda de pressão. A alta queda de pressão é causada pelo layout do próprio ciclone sendo um ciclone reverso. O gás entra no ciclone no meio e move para baixo no corpo do ciclone 96 antes de virar para cima apesar do localizador de vórtice 97. A queda de pressão no ciclone ocorrerá quando o gás está acelerando através do pequeno localizador de vórtice 97. Haverá uma aceleração axial, mas também tangencial devido à conservação do ímpeto angular. No layout de multiciclone conforme mostrado na Figura 7 a alta queda de pressão será lidada pela separação física do separador em três volumes. A pressão na seção de entrada 92 será mais alta do que a pressão no compartimento lí- quidp 94 que será mais alta do que a pressão no compartimento de gás 99. A alta queda de pressão também representará um desafio com relação ao desempenho da separação. A eficiência da separação será um equilíbrio entre a separação devido á aceleração centrifugal e re-arrastamento e quebra de gota devido ao arrasto viscoso. A alta queda de pressão indica alto arrasto viscoso e eficiência reduzida.

A Figura 8 mostra um exemplo de uma seção de entrada previamente conhecida que usa o tubo de entrada como ciclone conforme descrito em N0321170. Aqui a seção de entrada é montada como uma extensão do tubo de entrada. O número de ciclones e orientação será limitado pelo layout da tubulação. O desempenho do ciclone será um equilíbrio entre as acelerações centrifugais necessárias para garantir a separação da gota e a queda de pressão que você pode aceitar pelo dispositivo. Uma alta queda de pressão pela unidade reduzia a eficiência devido ao cisalhamento elevado no filme líquido dentro do ciclone.

A aceleração centrifugai será geralmente descrita por a = onde v é a velocidade tangencial e r e o raio. Enquanto a queda de pressão geralmente pode ser descrita como -Ç-p-u1 onde Ç é um fator de perda principalmente dependente de w, p é a densidade do gás e u é a velocidade axial. A seção de entrada é um elemento estático de redemoinho que ajusta o gás de entrada na rotação e a velocidade tangencial será diretamente proporcional à velocidade axial. Assim, para atingir aceleração centrifugai semelhante em um ciclone com grande raio e um ciclone com pequeno raio um deve aumentar a velocidade e assim a queda de pressão pelo ciclone.

Claims (11)

1. Dispositivo de entrada (17) para um separador por gravidade (18) para separar uma mistura fluida compreendendo gás e liquido, o dito dispositivo de entrada (17) é caracterizado pelo fato de que compreende uma abertura de entrada (31) para a mistura fluida, uma câmara de distribuição (2) conectada a dita abertura de entrada para distribuir a mistura fluida a um ou mais ciclones axiais (3) que constitui uma parte integral do dispositivo de entrada (17) e sendo conectada a câmara de distribuição (2), os ditos ciclones axiais (3) sendo providos com uma abertura de entrada inferior, uma abertura de saida superior (9) para o fluxo de fluido rico em gás, um elemento indutor por redemoinho (21), uma ou mais aberturas (24) para permitir que o liquido deixe os ciclones axiais (3), e seja drenado a um nivel abaixo do dispositivo de entrada (17).

2. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o liquido que deixa os ciclones através das aberturas (24) é coletado em uma câmera de coleta (8) da qual € drenado em um bloco de liquido (7) de um separador por gravidade (18).

3. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende tubos de descida (5) para drenar o fluido rico em liquido da câmera de coleta de liquido (14) embaixo da câmara de distribuição de entrada (2).

4. Dispositivo de entrada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um tubo de drenagem de liquido (4) disposto para drenar o fluido rico em liquido da câmara de distribuição (2) ao bloco de liquido (7) do separador por gravidade (18).

5. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um dispositivo de degelo (6) para ainda degelar o fluido rico em líquido drenado através do tubo de drenagem de líquido (4) e/ou do tubo de descida (5) depois do qual o fluido enriquecido com gás é permitido passar para cima fora da câmara de distribuição.

6. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 2 e 3, caracterizado pelo fato de que um difusor (13) está disposto no tubo de descida (5) ou no tubo de drenagem de líquido (4) para reduzir o ímpeto do gás.

7. Dispositivo de entrada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que que os ciclones axiais (3) estão dispostos em grupos, tendo uma câmera de coleta de líquido comum para cada grupo.

8. Dispositivo de entrada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a câmara de distribuição (2) é adaptada ao separador por gravidade (18) no qual deve ser usado de modo que o corte transversal horizontal da câmara de distribuição (2) abranja entre 65 e 90% do corte transversal horizontal do separador por gravidade(18).

9. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todas as aberturas para cima da câmara de distribuição (2) são conectadas aos ditos ciclones axiais (3).

10. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de descida (5) é estendido ao bloco de líquido (7) e assim vedando o tubo de descida do gás transportador embaixo da seção de entrada.

11. Dispositivo de entrada, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de drenagem de líquido (4) é estendido ao bloco de líquido (7) e assim vedando a drenagem do líquido do gás transportador embaixo da seção de entrada.

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