BR112013020883B1 - Simulador de separação de fase térmico, e, método para utilizar o simulador de separação de fase térmico - Google Patents

Abstract

simulador de separação de fase térmico, e, método para utilizar o simulador de separação de fase térmico são descritos um simulador de separação de fase térmico e método para testar produtos químicos. o simulador compreende um carrossel aquecedor de bloco circular (10) fixado para rotação em um estágio (20). o carrossel inclui uma formação circular de poços de teste (12) para receber uma pluralidade de frascos de teste (60), uma pluralidade de elementos de teste (14) e termopares (15) dispostos entre os poços. cada poço tem um orifício de iluminação (40) e uma fenda vertical (24) no lado externo para permitir observação visual ou formação de imagem de uma tira amostra vertical do frasco. uma fonte de iluminação (41) alinha com o orifício de iluminação de cada poço, em resposta à rotação do carrossel. o método inclui adicionar um fluido de fase de mistura a uma pluralidade de frascos, adicionando um agente químico a cada frasco, e simular uma separação de fase térmica. as imagens do fluido de cada frasco são capturadas e analisadas para determinar o desempenho do um ou mais agentes químicos.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO Campo da Invenção

A presente invenção se refere genericamente à simulação de pequena-escala de separadores de óleo-água, tais como nocautes de água livre, tratadores de aquecedores e dessalinizadores, que são usadas na produção ou processamento de óleo de petróleo.

Fundamentos da Técnica Relacionada

Os fluidos hidrocarbonados produzidos, tais como óleo bruto e betume, contêm naturalmente uma variedade de contaminantes imiscíveis, tais como água, sais e sólidos, que têm efeitos prejudiciais em linhas de transporte e equipamento de processamento. Os tipos e quantidades destes contaminantes variam, dependendo do fluido hidrocarbonado particular. Adicionalmente, a água produzida com o fluido hidrocarbonado líquido, se nativo, adicionado ou condensado de vapor no reservatório, também contém naturalmente uma variedade de contaminantes imiscíveis, tais como óleo, sólidos orgânicos e sólidos inorgânicos, que têm efeitos prejudiciais no uso produtivo ou descarga da água. Os tipos e quantidades destes contaminantes variam, dependendo da água produzida particular. Os estabilizantes de emulsão naturais ou sintéticos, tais como asfaltenos, sais de ácido naftênico, resinas de petróleo, sólidos biúmidos, fluidos de perfuração e similares podem manter as fases óleo e água emulsificadas entre si.

As desemulsificação, separação e purificação destas fases são etapas necessárias antes de processamento adicional. Estes processos envolvem uma variedade de agitações e estratificações por densidade de fluido para várias extensões de tempo. Uma variedade de diluentes, fluidos de lavagem e/ou agentes químicos pode ser adicionada a uma ou outra ou a ambas fases, a fim de acelerar o processo ou melhorar a qualidade dos fluidos processados. Campos elétricos de alta voltagem podem ser aplicados à fase óleo para acelerar e melhorar a hidratação. Filtragem secundária pode ser aplicada à fase água para acelerar e melhorar a clarificação. A emulsão concentrada pode ser retirada da mesofase estratificada ou “camada recuperada” entre as duas fases de um separador e centrifugada para acelerar e melhorar a separação. Em todos estes processos, calor é geralmente adicionado para elevar a temperatura dos fluidos e reduzir sua viscosidade. Para brutos pesados, óleos e betumes, a temperatura é com frequência elevada acima do ponto de ebulição da água ou das extremidades leves de um diluente adicionado ao óleo. Isto requer elevadas pressões para manter os fluidos líquidos.

Agentes químicos que podem ser adicionados para acelerar e melhorar a remoção da água e sólidos da fase hidrocarboneto são geralmente conhecidos como desemulsificantes, rompedores de emulsão, rompedores de emulsão obversos, desidratantes, gotejadores de água, umedecedores de sólidos ou retiradores de névoa (para combustíveis límpidos). Estes agentes químicos podem ser adicionados ao óleo ou à água que está em contato com o óleo. Os agentes químicos que podem ser adicionados para acelerar e melhorar a remoção do óleo e sólidos da fase água são geralmente conhecidos como clarificadores de água, rompedores inversos, rompedores de emulsão inversos, removedores de óleo, floculantes, coagulantes, coalescedores de óleo ou umedecedores de sólidos. Estes agentes químicos podem ser adicionados à água ou, em alguns casos, ao óleo que está em contato com a água. Os agentes químicos que são usados para dissolver uma emulsão recuperada são com frequência chamados formadores de tampão, tratadores de resíduo, ou clarificadores de interface. Os agentes químicos que são usados para impedir deposição de sólidos nas superfícies são geralmente conhecidos como dispersantes, inibidores de depósito ou anti-incrustações.

Novos agentes químicos são tipicamente selecionados e desenvolvidos usando um simples aparelho, tal como um conjunto de garrafas ou tubos de vidro, e um processo referido como “teste de garrafa”. Na forma de realização mais simples, amostras de emulsão e agentes químicos são adicionados às garrafas e agitados. A temperatura é limitada a cerca de 90°C em pressão atmosférica, para impedir que a água entre em ebulição. A taxa de separação de óleo-água é monitorada em função do tempo se observando a quantidade de água “livre” que se reúne na base da garrafa e/ou a quantidade de óleo “livre” que se reúne no topo da garrafa, a pureza evidente dessas fases - o “brilho” do óleo e a “transparência” da água - e a quantidade, continuidade de fase e aspereza da emulsão no meio da água livre e do óleo livre. Por causa do grande número de possíveis agentes e combinações químicos destes agentes químicos que devem ser testados para encontrar uma solução de tratamento apropriada, e da natureza instável das amostras de emulsão frescas usadas, o teste de garrafa necessita ser realizado em muitas amostras ao mesmo tempo.

O método de teste de frasco precedente provou-se útil, porém não simula adequadamente o que acontece nas temperaturas e pressões mais elevadas usadas para processar brutos e betumes pesados. Foi mostrado que os agentes ativos de superfície usados para separação de fase, bem como aqueles nativos para o óleo e água produzidos, comportam-se diferentemente em diferentes temperaturas.

O processo de recuperação de óleo intensificada por vapor ou drenagem por gravidade assistida por vapor (SAGD) do betume é particularmente de simulação difícil e importante. Em um processo SAGD, o vapor é injetado em um reservatório subterrâneo em temperaturas até 260°C. O vapor aquece o óleo quando ele se condensa am água em elevada temperatura e carrega o óleo ou betume para fora do reservatório como uma emulsão em temperaturas até 160°C sob pressões de 100 a 300 psig (7,03 a 21,09 kg/cm ). Uma pressão de pelo menos 75 psig (5,27 kg/cm ) é necessária para manter a água líquida a 160°C. A mistura de óleo e água em fluxo altamente turbulento nesta temperatura por diversos minutos a algumas horas, então, após esfriar a cerca de 130°C, é separada em uma série de vasos em que diluente hidrocarbonado é adicionado e água é removida. Uma variedade de auxiliares de separação química é adicionada em vários locais ao longo das linhas de produção de campo de óleo/gás e à frente do equipamento e vasos.

Métodos de teste mais sofisticados, empregando vasos de pressão agitados foram usados para simular a temperatura e pressão do processo de separação, porém vasos metálicos padrão não permitem que sejam feitas observações visuais críticas quando os fluidos se separam. Vasos de pressão encamisados de óleo quente, de vidro podem ser usados, porém estes são volumosos e de aquisição, instalação e controle caros, não receptivos para testar muitos tratamentos imediatamente em um meio- ambiente de campo de óleo.

Além disso, os resultados de teste são altamente dependentes das propriedades de superfície dos vasos de teste de pequena escala, devido tamanho desproporcional de área de superfície para volume de fluido. Por exemplo, a água pode borbulhar no vidro próximo da fase óleo, em vez de ter uma forte precipitação na fase água, tomando impossível de medir. E os polímeros catiônicos comumente usados para separar óleo da água irreversivelmente adsorvem nas superfícies de vidro aniônicas, mudando o umedecimento da superfície para o próximo teste. Estes polímeros devem ser queimados, química ou fisicamente, ou uma camada de vidro retirada por cauterização. Isto pode ser difícil e perigoso de fazer em vasos de vidro encamisados, especialmente no campo, e pode danificar a integridade do vaso na pressão.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Uma forma de realização da presente invenção provê um simulador de separação de fase térmico para testar produtos químicos. O simulador compreende um carrossel aquecedor de bloco circular feito de material termicamente condutivo e fixado para rotação em um estágio. O carrossel inclui uma formação circular de poços de teste para receber uma pluralidade de frascos de teste, uma pluralidade de elementos de aquecimento dispostos entre os poços para aquecer o material termicamente condutivo e uma pluralidade de termopares dispostos entre os poços para monitorar a temperatura do material termicamente condutivo. Cada poço tem um orifício de iluminação e uma fenda vertical no lado externo para permitir observação visual ou formação de imagem de uma tira de amostra vertical do frasco. Uma fonte de iluminação se alinha com o orifício de iluminação de cada poço, em resposta à rotação do carrossel.

Outra forma de realização da presente invenção provê um método para utilizar o simulador de separação de fase térmico. O método inclui adicionar um fluido de fase misturada a uma pluralidade de frascos, adicionar um ou mais agentes químicos a cada um dos frascos e simular condições de uma separação de fase térmica. Imagens do fluido de fase misturada de cada frasco são capturadas e analisadas para determinar o desempenho do um ou mais agentes químicos na separação de ajuda do fluido de fase misturada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um bloco de aquecimento de carrossel de um simulador.

A Fig. 2 é uma vista de fundo do bloco de aquecimento de carrossel da Fig. 1.

A Fig. 3 é uma vista minuciosa seccional transversal de um poço de frasco do carrossel da Fig. 1.

A Fig. 4A é uma vista lateral esquemática de um frasco com uma tampa tendo uma válvula de alívio de pressão e um orifício de septo.

A Fig. 4B é uma vista lateral esquemática de um frasco com uma tampa tendo uma válvula de alívio de pressão e um tubo de imersão selado.

A Fig. 5 é uma vista lateral do carrossel da Fig. 1, posicionado lateralmente em modo de agitação em um agitador.

A Fig. 6 é uma vista lateral do carrossel da Fig. 1, fixado ereto sobre um agitador para girar e ver os frascos.

A Fig. 7 é uma imagem de tela ilustrando uma análise automatizada de uma imagem digital do fluido dentro do frasco da Fig. 3.

A Fig. 8 é um esquemático de um sistema de coleção de imagem automatizado.

Os números de referência correspondentes indicam partes correspondentes por todas as vistas dos desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Esta invenção é dirigida a um simulador de lote de pequena escala de processos de separação de óleo-água, provendo a capacidade de testar uma multidão de agentes químicos simultaneamente usando emulsão recentemente produzida, temperaturas de processo reais, agitações, durações, adições e retiradas de fluidos. Frascos de múltiplos testes, preferivelmente idênticos, permitem que uma composição de emulsão específica ser analisada simultaneamente, usando diversos diferentes agentes químicos, concentrações e/ou pontos de adição, para ver que combinação provê o tratamento mais eficaz.

O simulador inclui um carrossel de topo de bancada, capaz de rotação em tomo de um eixo geométrico vertical, compreendendo um aquecedor de bloco circular feito de material termicamente condutivo caracterizando uma formação circular de poços de teste para uma multidão de frascos. Cada poço tem uma abertura na base e uma fenda vertical no lado interno do bloco para iluminação e uma fenda vertical no lado externo para permitir observação visual de um tira de amostra vertical ou parte de cada frasco de teste.

Os frascos de teste repousam dentro dos poços ou aneis-o de borracha e são retidos em posição com trincos de ponta de borracha alavancados, fixados no topo do carrossel. Os frascos de vidro descartáveis não usados, com pressão de arrebentamento excedente a 240 psig (16,87 kg/críi ), são usados para cada teste. A tampa de cada unidade de frasco inclui uma válvula de alívio de pressão com uma pressão de fissuração de 105 psig (7,08 kg/cm ) e uma pressão de arrebentamento de 120 psig (8,44 kg/cm ). A tampa tem um tubo de imersão móvel, selado por compressão ou um orifício de septo de borracha comprimido, que permite, por exemplo, que os produtos químicos e diluentes sejam adicionados e água e óleo sejam retirados. Em uma forma de realização, um campo elétrico é aplicado à fase óleo conectando-se o tubo de imersão a uma fonte de alta voltagem e aterrando-se o bloco térmico.

Os elementos de aquecimento são inseridos no bloco entre bloco sim bloco não, para assegurar aquecimento simetricamente equivalente dos poços. Para controlar e monitorar a temperatura, dois termopares são conectados: um termopar que é fixado próximo de um cartucho térmico alimenta um controlador de temperatura e outro termopar, que é imerso no fluido dentro de um frasco, verifica a temperatura de teste real.

O carrossel é fixado em um estágio de superfície escorregadia, termicamente isolante, elevada, em um eixo geométrico vertical, de modo que cada frasco possa ser suavemente girado por sua vez além de uma ou mais fontes de iluminação colocadas atrás ou embaixo do frasco. O carrossel tem uma ou mais maçanetas de elevação termicamente isoladas para girar o carrossel, bem como para remover o carrossel e fixar o carrossel lateralmente em um agitador alternado, ainda conectado à potência para manter o calor. O agitador tem curso e/ou frequência ajustáveis, suficientes para replicar agitação no processo simulado.

O carrossel e estágio são fixados em um suporte,que permite inclinação tanto do carrossel como do estágio lateralmente, a fim de agitar os frascos em uma posição horizontal. Este suporte permite que o carrossel seja agarrado em uma posição ereta ou posição de visualização ou uma posição de agitação horizontal. O carrossel pode ser preso em uma ou outra posição por um pino de travamento. Este suporte pode ter uma articulação e ser fixado em uma mesa de agitação alternado ou pode ser independente e ser levantado e preso em uma mesa de agitação separada.

Em outra forma de realização, a mistura do fluido é feita com um misturador física ou magneticamente acoplado, em uma estação de mistura fixada em uma posição fixa no estágio. Os frascos são misturados em sequência quando o carrossel é girado além do misturador. Os frascos então giram além do ponto de observação em um tempo determinado após serem misturados. Em outra forma de realização, agitadores magnéticos são colocados sob todos os frascos e os frascos são agitados enquanto os fluidos se separam e as imagens do fluido são registradas.

Em uma forma de realização, um dispositivo de formação de imagem é usado para capturar imagens dos fluidos, que registram a separação do óleo e água nos tubos de mistura. Os dados são processados através de um algoritmo que computa o volume e a qualidade das fases dentro do frasco.

Um simulador de separação de fase térmico (às vezes referido aqui como o “simulador”) provê a capacidade de testar uma pluralidade de agentes químicos ao mesmo tempo. Por exemplo, o simulador pode usar uma emulsão recentemente produzida e realizar o teste sob condições realistas (isto é, condições similares ao uso em campo real), tais como temperaturas de processamento, agitações, durações, adições de fluido, retiradas de fluido e suas combinações. O simulador utiliza pequenas quantidades de fluido de processo para realizar os experimentos, desse modo reduzindo o custo do transporte e descarte da amostra. No simulador, um ou mais agentes químicos selecionados, tais como desemulficadores químicos, clarificadores ou anti- incrustadores, são adicionados em uma emulsão de óleo ou água e estas são misturadas juntas sob condições se aproximando daquela de seu transporte através das linhas e equipamento de processo. Estas condições podem incluir, por exemplo, temperatura, grau de cisalhamento, duração de mistura e suas combinações, a fim de simular as condições reais de campo. Em seguida as frações de óleo e água das emulsões são permitidas se separarem sob condições se aproximando daquela dos vasos de separação no campo. Estas condições de separação podem incluir, por exemplo, temperatura, qualquer intensidade de campo elétrico opcional que possa ser aplicada, tempo de permanência e suas combinações.

A invenção será agora descrita em detalhes com referência aos desenhos, usando formas de realização preferidas para possibilitar a prática da invenção. Embora a invenção seja descrita com referência a estas formas de realização preferidas específicas, deve ser entendido que a invenção não é limitada a estas formas de realização preferidas. Ao contrário, a invenção inclui numerosas alternativas, modificações e equivalentes que se tomarão evidentes para aqueles tendo habilidade comum na arte, pela consideração da seguinte descrição detalhada.

A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um carrossel 10 de um simulador de fase térmico. O carrossel 10 tem uma pluralidade de poços 12 posicionados nele e configurados para receber até uma pluralidade igual de frascos de teste (vide Fig. 6). Na forma de realização ilustrada, o carrossel 10 tem doze poços cilíndricos 12 igualmente afastados ao longo da circunferência. Os elementos de aquecimento de cartucho 14 (seis mostrados) são inseridos dentro do carrossel 10 entre cada segundo poço 12. Há preferivelmente pelo menos um termopar 15 para medir a temperatura do bloco entre poços, em que não há elemento de aquecimento 14. Esta temperatura indica a extensão a que o inteiro bloco foi aquecido. Outro termopar é preferivelmente associado com pelo menos um dos frascos de teste, como descrito na referência à Fig. 4A, abaixo. Tanto os elementos de aquecimento 14 como os termopares 14 têm fiação que se estende através de um conduto de fiação 16 até um controlador de potência e temperatura 18. O controlador 18 controla a temperatura do carrossel 10 e permite que os poços 12, juntamente com os frascos e amostras de emulsão dentro deles, sejam aquecidos a uma temperatura que simulará melhor as condições do campo. A temperatura apropriada dos fluidos dentro dos frascos de teste normalmente será na faixa de cerca de 100°C a 160°C, de modo que a água dentro dos frascos de teste não gerará pressões acima de 100 psig (7,03 kg/cm2).

A Fig. 1 também mostra o carrossel 10 fixado em um estágio de superfície escorregadia, elevado, termicamente isolante, 20, em um eixo geométrico vertical, de modo que o carrossel 10 possa ser girado e o frasco de cada poço 12 possa ser suavemente girado, por sua vez, além dos pontos de mistura ou observação. O estágio 20 é conectado a uma fonte de luz 22, de modo que a luz pode ser direcionada atrás e/ou embaixo do ponto de observação do frasco. Por exemplo, iluminadores de fibra óptica pescoço de ganso podem ser usados. Entretanto, uma pessoa hábil na técnica entenderá que outros ângulos e métodos de iluminação podem ser usados. Em particular, a fonte de luz 22 pode produzir luz no espectro terahertz, infravermelho, próximo do infravermelho, visível, ultravioleta e/ou de raio-X e pode ser de qualquer projeto conhecido daqueles hábeis na arte. Assim, a fenda 24 do poço de frasco 12 permite observação do processo de separação de fase, usando não somente o espectro de luz visível, mas também outras partes do espectro eletromagnético, o que poderia ser vantajoso para converter em imagem os fluidos. Cada fenda 24 permite observação dos efeitos que os agentes químicos, fluidos de produção, diluentes, pontos de adição e outras condições operacionais variáveis têm sobre a separação de fase. Os orifícios de iluminação do lado de baixo opcionais 28 podem ser providos para iluminação por debaixo dos poços 12. O carrossel 10 também tem uma ou mais maçanetas de levantamento termicamente isoladas 26, com que ligar o carrossel no estágio ou remover o carrossel do estágio.

A Fig. 2 é uma vista de base do bloco de aquecimento de carrossel 10 da Fig. 1. Os orifícios de iluminação do lado de baixo 28 são mostrados posicionados embaixo de cada poço do carrossel. Um eixo pivô 30 é provido no centro axial do carrossel 10, para manter o carrossel no estágio durante a rotação. Uma placa de fixação 32 é presa no fundo do carrossel 10 para prover uma conexão mecânica a um mecanismo de inclinação. Por exemplo, o mecanismo de inclinação pode incluir um par de suportes 34 presos à placa de montagem 32, incluindo pontos de articulação 36 e um furo 38 para um pino de travamento.

A Fig. 3 é uma vista esquemática de um poço de frasco 12 do carrossel da Fig. 1. O poço de frasco 12 inclui uma janela de visualização externa 24, um orifício de iluminação interno 40 e um orifício de iluminação do lado debaixo 28. Um frasco de teste 60 repousa dentro do poço 12 sobre um anel-O de borracha 52 e é retido em posição com um trinco alavancado com ponta de borracha 54, fixado em uma superfície de topo 55 do carrossel. Uma composição de borracha preferida é silicone. O bloco aquecedor de carrossel (isto é, o poço 12) e o trinco 54 podem também funcionar como dispositivos de contenção secundários, para o evento improvável de que o frasco 50 se rompa.

O carrossel pode ser girado de modo que o orifício de iluminação interno 40 seja alinhado com uma fonte de luz óptica interna 41 e/ou o orifício de iluminação subjacente 28 seja alinhado com uma fonte de luz óptica subjacente 43. Com o carrossel nesta posição, a condição das fases dentro de um frasco particular 60 pode ser facilmente observada visualmente. Entretanto, o simulador preferivelmente inclui um dispositivo de formação de imagem 44 que é alinhado com a uma ou mais fontes de luz 41, 43. O dispositivo de formação de imagem 44 pode capturar uma imagem das fases em um ponto particular do tempo durante um teste. Capturando-se tais imagens em vários tempos durante a duração de um teste, é possível monitorar e analisar como uma ou mais variáveis afetam as fases. Capturando-se imagens similares para cada um dos frascos, é possível monitorar, analisar e comparar o desempenho de um ou mais agentes químicos, uma ou mais concentrações e similares.

A Fig. 4A é uma vista lateral esquemática de um frasco 60 com uma tampa 64 tendo uma válvula de alívio de pressão 68 e um orifício de septo 66. A tampa de frasco 64 pode ser rosqueadamente acoplada ao corpo de frasco 62 para selar uma tampa de frasco 65 na borda de frasco 63 com um anel-o 66 entre elas. A tampa 65 é encaixada com uma válvula de alívio de pressão 67 com uma pressão de estalido de 105 psig (7,38 kg/cm ) e uma pressão de arrebentamento de 120 psig (8,44 kg/cm ) (metade da potência de arrebentamento do frasco). Este limite de pressão de 105 psig (7,38 kg/cm ) permite que temperaturas de água de até 172°C sejam usadas sem entrar em ebulição. A tampa 65 também tem um orifício de septo 68. A tampa 65 de pelo menos um dos frascos 60 é também equipada com uma sonda de termopar 69 para medir a temperatura do fluido do frasco. A tampa 65 pode ter uma abertura separada dedicada à sonda de termopar, ou a sonda de termopar pode se estender através do orifício de septo 68.

O orifício de septo 68 pode, por exemplo, ser um orifício de septo autosselante, calculado para suportar 105 psig (7,38 kg/cm ). Isto permite que produtos químicos e diluentes sejam adicionados à fase apropriada e emulsão de óleo ou mesofase seja seletivamente retirada com uma seringa apropriadamente calibrada. A injeção de vários fluidos com diferentes seringas elimina os volumes mortes e a contaminação cruzada relativos à utilização de um tubo de imersão permanente.

A Fig. 4B é uma vista lateral esquemática do frasco 60 com uma tampa 65 tendo uma válvula de alívio de pressão 67 e um tubo de imersão selado 70. O tubo de imersão 70 pode ser selado com uma selagem de compressão 72. Outros aspectos do frasco 60 e tampa 65 são os mesmos que na Fig. 4A.

O tubo de imersão móvel 70 pode ser elevado ou abaixado a qualquer posição desejada dentro do frasco. Isto permite que produtos químicos e diluentes sejam adicionados à fase apropriada e permite que emulsão de água, óleo ou mesofase seja seletivamente retirada da maneira em que o processo é simulado. Um retentor de mola é usado para reter o tubo de imersão caso seu encaixe de compressão se tome frouxo. Em uma forma de realização, o tubo de imersão 70 é eletricamente isolado, utilizando encaixes não condutivos e isolando o metal exposto externo. Politetrafluoroetileno (PTFE) ou polieteretercetona (PEEK) são bons materiais para este isolamento, bem como para a parte rosqueada da tampa. O tubo de imersão pode então ser conectado ao fio de alta voltagem de um transformador 74. Aterrando-se eletricamente o carrossel 10 imporá então um campo elétrico radial através da camada de óleo. Para melhor focar este campo, o comprimento do tubo de imersão pode ser ajustado à espessura da camada de óleo. Uma voltagem de 5 a 10 kV a 60 Hz é suficiente para oscilar as gotícuias de água dentro do óleo, para desestabilizar a emulsão da maneira de campo elétrico de escala total assistido por coalescedores. Frequências que não 60 Hz podem também ser usadas da maneira de alguns coalescedores comerciais. Um transformador adequado comercialmente disponível é o modelo A10-LA2 e 10 kV, 23 MA da Dongan. Fios de alta voltagem adequadamente isolados e conectores de encaixar para dirigir a voltagem para o tubo de imersão 70 são também comercialmente disponíveis.

Um frasco de teste 60, especialmente o corpo de frasco 62, podem ser feitos de vidro ou outro material substancialmente transparente, tal como quartzo, diamante, safira ou plástico transparente, termicamente estável. Material transparente é usado para permitir que o operador visual ou fotograficamente monitore a separação de fase das amostras, para obter resultados de experimento. É também desejável que o material de frasco seja eletricamente resistivo para evitar qualquer condução elétrica significativa no evento de um campo elétrico ser aplicado através da fase óleo. Se um plástico de multicamadas for usado, a superfície interna deve ser umedecida com água para permitir a laminação das gotículas no fundo.

As paredes do frasco são bastante espessas para não romperem sob uso normal no simulador de separação de fase térmico. Pressurização a próximo de 100 psig (7,03 kg/cm2) é necessária para testar temperaturas de água de até 170°C sem entrar em ebulição. Para prover uma boa margem para segurança, os frascos podem ter uma resistência a arrebentamento de pelo menos 200 psig (14,06 kg/cm ). Uma espessura de parede de pelo menos dois milímetros de vidro de borossilicato é tipicamente suficiente. O volume dos frascos pode variar, porém o tamanho e formato devem se igualar com os dos poços de frasco do carrossel 10. Cerca de 100 ml é geralmente suficiente.

Para assegurar integridade do frasco e superfícies livres de contaminantes, um novo frasco deve ser usado para cada teste, em vez de tentar limpar ou reutilizar um frasco. Os frascos podem ser um frasco produzido em massa, moldado por máquina, com roscas padrão, que é comercialmente disponível em um custo bastante barato para ser descartável. Um tal frasco foi testado e constatado ter uma pressão de arrebentamento excedente de 240 psig (16,87 kg/cm ).

A Fig. 5 é uma vista lateral de um simulador 90, com o carrossel 10 da Fig. 1 posicionado (axialmente) lateralmente em modo de agitação em uma mesa agitadora 80, incluindo um agitador 82 com um regulador e um controlador de velocidade 84. O simulador pode também incluir um dispositivo de agitação ou mistura de fluido.

O dispositivo de agitação da Fig. 5 é um agitador alternado 82 com um suporte 92 para fixar o carrossel 10 lateralmente, frascos horizontais (não mostrados) retidos pelos trincos (vide Fig. 3) para operar em um modo de agitação. Altemativamente, a Fig. 6 coloca o carrossel 10 em um modo de visualização vertical.

Um agitador alternado preferivelmente não tem um arco de ação de pulso ou cotovelo para seu arremesso (digamos, como, digamos, um 5 agitador de tinta típico faz), uma vez que agitaria os frascos de topo mais do que aqueles da base. Preferivelmente, o agitador 82 provê um meio para variar a extensão de arremesso e/ou a frequência de agitação, de modo que a severidade da agitação possa ser controlada para replicar a turbulência das linhas de fluxo, trocadores de calor, misturadores estáticos e vasos de 10 separação. Uma distância de arremesso de até cerca de 8 cm e uma frequência de até cerca de 4/s (240 rpm) é geralmente suficiente. A duração da agitação é controlada por qualquer regulador de dispositivo eletrônico convencional, tal como o controlador 84, adequado para regulação de precisão da comutação liga/desliga de um aparelho elétrico. O carrossel 10 pode permanecer 15 conectado à força e ao controlador de temperatura 18 (vide Fig. 1), enquanto agitando, de modo que a temperatura pode ser mantida indefinidamente, por quanto tempo o processo de mistura real dure.

Outra forma de realização utiliza uma ou mais dispositivos de mistura ou agitação de velocidade variável, física ou magneticamente 20 acoplados a uma barra, lâmina, pá ou outro elemento de mistura dentro de cada frasco. A mistura do fluido pode ser feita em uma estação de mistura montada em uma posição fixa do estágio. Os frascos são misturados em sequência quando o carrossel é girado além do misturador. Os frascos então giram além do ponto de observação para as imagens serem gravadas em um 25 tempo fixo após serem misturadas. Em outra forma de realização, os misturadores são fixados sob todos os poços de frasco e os fluidos são misturados, enquanto os fluidos se separam e as imagens são gravadas.

O simulador 90 inclui um mecanismo de inclinação que pode ser manual ou automaticamente operado. Como mostrado, o mecanismo de inclinação inclui um suporte de fixação 92 e um suporte de inclinação 94 acoplados por um braço estrutural 96. A articulação do braço estrutural 96 em relação ao suporte de fixação 92 e a articulação do suporte de inclinação 94 em relação ao braço estrutural 96 podem ser dadas por um cilindro pneumático ou outro dispositivo motivo conhecido. O mecanismo de inclinação é preferivelmente projetado para prender o inteiro carrossel à mesa agitadora 80 e controlavelmente mover o carrossel 10 da posição de agitação da Fig. 5 para a posição de visualização da Fig. 6. O mecanismo de inclinação preferivelmente também inclui um furo 95 no suporte de inclinação 94, um furo 97 no suporte de fixação 92 e um pino de travamento 99. O pino de travamento 99 pode ser inserido dentro dos furos 95, 97 quando eles são alinhados como na Fig. 6, a fim de prender o carrossel na posição vertical ou horizontal. Especialmente na posição vertical, o pino de travamento pode evitar que o carrossel seja derrubado não intencionalmente durante o teste.

A Fig. 6 é uma vista lateral do simulador 90 com o carrossel 10 em uma posição vertical acima da mesa agitadora. Nesta posição, o carrossel 10 pode ser girado em seu eixo geométrico para facilidade de visualização dos frascos e posicionamento dos frascos adjacentes a uma fonte de iluminação, tal como a fonte de iluminação subjacente 43. Nesta posição, cada um dos frascos é verticalmente orientados, de modo que as fases se separam verticalmente com o eixo geométrico dos frascos. As fendas 24 permitem observação visual, bem como o uso de um dispositivo de formação de imagem ou outros tipos de dispositivos, para medir a posição ou qualidade das fases dentro dos frascos. Os fiiros 95, 97 são preferivelmente posicionados, de modo que se alinhem quando o carrossel 10 está na posição de visualização da Fig. 6. Por conseguinte, o pino de travamento pode ser inserido dentro dos fiiros para prender o carrossel nesta posição.

A Fig. 7 é uma imagem de tela ilustrando uma análise automatizada de uma imagem digital 100 do fluido dentro do frasco da Fig. 3.

Em uma forma de realização, um dispositivo de formação de imagem é usado para gravar a separação do óleo e água dentro dos frascos de teste. Com referência à Fig. 3, o dispositivo de formação de imagem 44 pode ser uma câmera digital de alta resolução, fixada em frente do estágio iluminado com o chip de formação de imagem (p. ex., dispositivo acoplado por carga ou formação fotomultiplicadora) mapeado para a tira de amostra vertical do frasco 60, que é visível através da fenda 24. O dispositivo de formação de imagem pode se operado manualmente ou utilizando um controlador sincronizado com uma rotação de carrossel automatizada, para registrar imagens em intervalos de tempo desejados, de modo que o operador não necessite estar presente durante o inteiro tempo necessário para separar a emulsão. Os dados da imagem digital são convenientemente processados através de um algoritmo que compute o volume e a qualidade das fases dentro do frasco, como mostrado na imagem de tela da Fig. 7. Deste modo, a análise de fotografia e imagem pode ser usada em vez de a inspeção visual, para coletar os dados.

A Fig. 8 é um esquemático de um sistema de coleta de imagem automatizado 110. Na forma de realização mostrada, um sistema de aquisição e controle de dados 112 provê um sinal de controle para um controlador de motor 114. O controlador 114 então controla um motor de engrenagem de três fases 116, que gira o carrossel 10. A posição do carrossel pode ser ainda detectada e indicada via um sinal 118 de volta para o sistema de controle 112. Quando o carrossel é posicionado com um frasco selecionado, alinhado com o estágio de iluminação, o sistema de controle 112 instrui uma câmera 44, utilizando uma macrolente 120, para capturar uma imagem digital e enviar os dados resultantes para um computador, tal como um computador pessoal 122. O computador 122 pode receber entrada de um usuário via um teclado 124 ou outro dispositivo de entrada. O computador ode ainda produzir uma saída 126, incluindo uma perfil de formação de imagem de câmera e dados de morfologia de imagem.

A invenção é também dirigida a um método para utilizar o simulador de separação de fase térmico para selecionar agentes químicos para separações de fase térmicas. Em uma forma de realização, uma emulsão fresca, como encontrada no sistema de separação de fase térmica a ser modelado, é usada e a quantidade de óleo e água que separa da emulsão em função do tempo é registrada para calcular a taxa de separação. Os contaminantes residuais ainda suspensos em cada fase (óleo e sólidos na água, água e sólidos no óleo) e o volume de emulsão condensada “trapo” entre as duas fases é também registrado e convertido em uma escala numérica.

Uma separação mais rápida no teste de lote produz uma altura de dispersão condensada mais estreita no fluido escoando através do vaso de separação real, provendo mais tempo de permanência para limpar completamente as fases livres e tomar o nível de interface mais fácil de controlar. Contaminantes residuais colocados em um limite da qualidade final das fases livres produzidas, e a emulsão recuperada dentro do frasco acumular-se-ão dentro do separador durante o tempo.

Na realização de testes com emulsão fresca de uma linha pressurizada, a amostra de emulsão deve ser tomada com bastante contrapressão e esfriamento, de modo que não seja indevidamente cisalhada ou lançada em uma emulsão mais fina (dispersão de cisalhamento ou choque) ou emulsão mais grosseira (coagulação de cisalhamento) do que existe dentro da linha, visto que isto é com frequência irreversível. Se a amostra tiver duas fases livres, estas devem ser separadas na amostra e então recombinadas dentro de cada frasco para consistência. Se a amostra estiver ativamente separando-se, ela deve ser mantida agitada enquanto sendo dividida em cada frasco de teste.

A amostra de fluido produzida deve ser tirada de um ponto logo antes da primeira adição química que está sendo simulada. Para cada subsequente parte do processo (p. ex., linha de fluxo, trocador de calor, misturador de diluente, extrator de água fria, tratador de óleo ou coalescedor de campo elétrico) condições chave afetando a separação de fase (p. ex., temperatura, regime de fluxo turbulento e velocidade linear, duração de fluxo ou tempo de permanência, adição química ou diluente, remoção de água ou óleo frios, intensidade do campo elétrico) devem ser registrados e emulados no simulador de processo. Por conseguinte, o simulador de separação de fase térmico permite que o operador simule estes parâmetros úteis.

Um procedimento típico é como segue: 1. Adicionar fluidos amostra e tratamentos químicos aos frascos. 2. Selar os frascos com unidades de tampa. 3. Colocar as unidades de frasco dentro dos poços do carrossel e prender com trincos. 4. Plugar o controlador de temperatura na potência principal. 5. Ajustar o ponto de ajuste a 120°C e deixar a temperatura do fluido equilibrar-se a cerca de 100°C. 6. Verificar se todos os frascos e encaixes são herméticos a pressão (nenhuma ebulição). 7. Aumentar o ponto de ajuste à temperatura planejada máxima, cerca de 20°C acima da temperatura do fluido planejada máxima (< 170°C) e deixar a temperatura do fluido equilibrar-se (cerca de 60 minutos). 8. Fixar o carrossel no agitador e agitar em uma maneira equivalente à agitação que o fluido receberia no processo durante a extensão de tempo total que ele receberia. Exemplos: a. Fluxo laminar, 1 cm/s: Selecionar 60 rpm, curso 1 cm b. Fluxo turbulento, 2 cm/s: Selecionar 120 rpm, curso 2 cm c. Fluxo turbulento, 20 cm/s: Selecionar 240 rpm, curso 8 cm 9. Retomar o carrossel para o estágio e girar através dos frascos para registrar a separação do fluido. 10. Na ocasião apropriada, adicionar produto químico ou diluente adicionais aos frascos, através do septo com uma seringa hermética a gás. 11. Após uma extensão de tempo replicando aquele do primeiro separador de processo, utilizar uma seringa hermética a gás para transferir a apropriada fase de fluido através do septo para dentro do próximo separador em série. Por exemplo, após replicar o extrator de água livre, transferir a fase óleo para outro frasco, para simular o tratador de óleo, ou a fase água para outro frasco para simular o tanque de nata. 12. Repetir o procedimento no fluido transferido, utilizando parâmetros apropriados para o próximo separador.

A terminologia usada aqui é para a finalidade de descrever formas de realização particulares somente e não se destina a ser limitante da invenção. Como aqui usadas, as forma singulares “um”, “uma” e “o”, “a” são destinadas a incluir as formas plurais também, a menos que o contexto claramente indique de outro modo. Será ainda entendido que os termos “compreende” e/ou “compreendendo”, quando usados neste relatório, especificam a presença de aspectos, inteiros, etapas, operações, elementos, componentes e/ou grupos citados, porém não impedem a presença ou adição de um ou mais de seus outros aspectos, inteiros, etapas, operações, elementos, componentes e/ou grupos. Os termos “preferivelmente”, “preferido”, “preferem”, “opcionalmente”, “pode” e termos similares são usados para indicar que um item, condição ou etapa sendo referido é um detalhe opcional (não requerido) da invenção. As estruturas, materiais, atos e equivalentes correspondentes de todos os meios ou etapas mas elementos de função nas reivindicações abaixo são destinados a incluir qualquer estrutura, material ou ato para realizar a função, em combinação com outros elementos reivindicados, como especificamente reivindicado. A descrição da presente invenção foi apresentada para fins de ilustração e descrição, porém não se pretende que seja exaustiva ou limitada à invenção na forma descrita. Muitas modificações e variações serão evidentes para aqueles de habilidade comum na arte, sem desvio do escopo e espírito da invenção. A forma de realização foi escolhida e descrita a fim de melhor explicar os princípios da invenção e a aplicação prática e para possibilitar que outros de habilidade comum natécnica entendam a invenção em várias formas de realização com várias modificações que sejam adequadas ao uso particular contemplado.

Claims (15)

1. Simulador de separação de fase térmico para testar produtos químicos, caracterizado pelo fato de que compreende: um carrossel aquecedor de bloco circular (10), feito de material termicamente condutivo e fixado para rotação em um estágio (20), em que o carrossel inclui um conjunto circular de poços de teste (12) para receber uma pluralidade de frascos de teste (60), uma pluralidade de elementos de aquecimento (14) dispostos entre os poços para aquecimento do material termicamente condutivo e uma pluralidade de termopares (15) dispostos entre os poços para monitorar a temperatura do material termicamente condutivo; cada poço tendo um orifício de iluminação (28, 40) e uma fenda vertical (24) no lado externo para permitir observação visual ou formação de imagem de uma tira de amostra vertical do frasco; e uma fonte de iluminação (41, 43), que se alinha com o orifício de iluminação de cada poço, em resposta à rotação do carrossel.

2. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada poço é dimensionado para receber um frasco de teste que é transparente à iluminação e capaz de suportar pressão interna de pelo menos 105 psig (7,38 kg/cm2) a 170°C.

3. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: uma pluralidade de trincos presos no carrossel, em que cada trinco (54) é posicionado para seletivamente prender um frasco de teste em posição dentro de um dos poços.

4. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o carrossel é acoplado com segurança a um suporte (34) que é fixado em uma plataforma de agitação, em que o suporte fixado na plataforma de agitação opcionalmente permite o movimento do carrossel entre uma posição de agitação horizontal e uma posição de visualização vertical.

5. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um misturador magnético alinhavei embaixo de um ou mais dos poços, em que o misturador magnético magneticamente se acopla com um dispositivo dentro do frasco para mistura de um fluido dentro do frasco.

6. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o conjunto circular de poços de teste é afastado em ângulos iguais, e o misturador magnético e a fonte de iluminação são posicionados para simultaneamente se alinharem com um diferente dos poços de teste.

7. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a fonte de iluminação emite radiação próxima da infravermelha.

8. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um septo selável (66) dentro de uma tampa (64) seletivamente fixável em um dos frascos, em que o septo permite a adição e remoção de produtos químicos e fluidos de processo usando uma agulha e seringa.

9. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um tubo de imersão móvel, selado por compressão (70), se estendendo através de uma tampa seletivamente fixável a um dos frascos, em que o tubo de imersão possibilita a adição e remoção de produtos químicos e fluidos de processamento, em que o tubo de imersão móvel é opcionalmente eletricamente isolado e conectado a uma fonte de alta voltagem, para impor um campo elétrico em uma fase óleo em um frasco que é disposto em um dos poços que é eletricamente aterrado.

10. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um dispositivo de formação de imagem (44) posicionado para alinhamento com a fenda vertical de cada poço, em resposta à rotação do carrossel, em que o dispositivo de formação de imagem captura imagens de um fluido dentro dos frascos.

11. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um controlador (114) em comunicação eletrônica com um motor para controlavelmente girar o carrossel.

12. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: um sensor para detectar o alinhamento de um poço de teste com o dispositivo de formação de imagem.

13. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que o controlador está em comunicação eletrônica com o dispositivo de formação de imagem para instruir o dispositivo de formação de imagem a capturar uma imagem.

14. Simulador de separação de fase térmico de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que compreende ainda: uma plataforma de agitação (80); e um mecanismo de inclinação acoplado à plataforma de agitação, em que o controlador está em comunicação eletrônica com o mecanismo de inclinação para controlar o movimento do carrossel entre uma posição de agitação horizontal e uma posição de visualização vertical e em que o controlador está em comunicação eletrônica com a plataforma de agitação para controlar a operação da plataforma de agitação, em que o controlador opcionalmente controla curso e frequência da plataforma de agitação.

15. Método para utilizar o simulador de separação de fase térmico como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: adicionar um fluido de fase misturada a uma pluralidade de 5 frascos; adicionar um ou mais agentes químicos em cada um dos frascos; simular condições de uma separação de fase térmica; capturar imagens do fluido de fase misturada em cada frasco; e 10 analisar as imagens capturadas para determinar o desempenho do um ou mais agentes químicos no auxílio da separação do fluido de fase mista, em que as condições de simulação de uma separação de fase térmica inclui controlar a temperatura e mistura do fluido, e o método opcionalmente compreende ainda retirar uma amostra de uma ou mais fases do 15 fluido de um frasco

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