BR112018069719B1 - Dispositivo de separação para separar um fluido - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO DE SEPARAÇÃO PARA SEPARAR UM FLUIDO. De acordo com a presente invenção, é fornecido um dispositivo de separação para a separação de um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes compreendendo: uma estrutura de suporte; pelo menos um canal montado sobre ou dentro da dita estrutura de suporte para rotação em torno de um eixo; pelo menos uma entrada para a introdução de um fluxo do dito fluido no dito ao menos um canal; e pelo menos uma saída para produzir ao menos um dos ditos componentes resultantes; em que o dito ao menos um canal é configurado de tal forma que, em uso, quando o dito fluxo do dito fluido é aplicado, dito canal é acionado para girar sobre ou dentro da dita estrutura de suporte sobre o dito eixo, assim separando dito fluido em pelo menos dois componentes.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de separação capacitado para separar um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes e a um método para separar dito fluido em pelo menos dois componentes.

[002] A separação de uma mistura de fluido em partes de componente é um importante processo industrial em muitas aplicações, por exemplo, em processos de extração e de purificação. No mercado de upstream de petróleo e gás, por exemplo, os múltiplos fluidos produzidos a partir da fonte devem ser estabilizados (principalmente por meio de redução da pressão), com os fluxos de gases e líquidos separados, cada um sendo tratado para atender às especificações de exportação. No caso do fluxo de líquidos, impurezas, tais como sais, areia e água, bem como qualquer gás em solução, devem ser removidas do petróleo bruto. Estas impurezas podem reduzir o valor do petróleo bruto e ter um efeito prejudicial (tais como corrosão e erosão) nos equipamentos derivados. Similarmente para o fluxo de água associado, petróleo e gás na água devem ser removidos, e às vezes também quaisquer partículas como areia, para atender aos limites especificados necessários para o método de descarte selecionado. Portanto, é de grande importância remover contaminantes da mistura de fluido extraída.

[003] A separação de uma mistura de fluido estático irá ocorrer naturalmente através da força da gravidade. A força natural de gotículas de líquido, partículas sólidas ou bolhas de gás subindo ou descendo por uma fase líquida ou gasosa principal é definida pela lei de Stokes (equação 1).

[004]

[005] Nesta equação, é a velocidade de sedimentação das partícula, gotícula ou bolha (m s-1); pp é a densidade de massa da partícula, gotícula ou bolha (kg m-3); pf é a densidade de massa do fluido (kg m-3); g é a aceleração gravitacional (m s-2); R é o raio (m) da partícula, gotícula ou bolha; e μ é a viscosidade dinâmica do fluido (kg m-1 s-1). A equação 1 indica que a velocidade de sedimentação é diretamente proporcional à aceleração gravitacional. Portanto um aumento na aceleração gravitacional aumentará a velocidade de sedimentação e reduzirá proporcionalmente o tempo de separação. Técnicas de separação, como hidrociclones e centrífugas, baseiam-se em transmitir alta aceleração gravitacional a fluidos para separar uma mistura de fluido em seus componentes individuais.

[006] Hidrociclones, doravante referido como ciclones, são dispositivos de separação estática que utilizam forças centrífugas para separar uma mistura de fluido em pelo menos dois componentes. Um ciclone típico é mostrado na Figura 1, e compreende uma primeira câmara cilíndrica (ou câmara swirl) (100), uma câmara de separação (110), um bico de entrada (120), um bico de saída de escoamento (130) e um bico de saída de transbordamento (140). O bico de entrada (120) é tipicamente tangente à primeira câmara cilíndrica (ou câmara swirl) (100). Para uma melhor performance, a câmara de separação (110) é tipicamente afunilada ou cônica. O bico de saída de transbordamento, geralmente perto da entrada de ciclone, pode também incluir um vortex finder (150). A mistura de fluido entra na primeira câmara cilíndrica (ou câmara swirl) sob pressão pelo bico de entrada tangencial. A câmara swirl ajuda a induzir um giro rotacional na mistura de fluido antes da mistura de fluido entrar na câmara de separação. O giro rotacional na entrada faz com que o perfil do fluxo de fluido forme um vórtice na câmara de separação, onde atuam forças centrífugas para separar o fluido em componentes de diferentes densidades. As forças centrífugas fazem com que partículas ou fases mais densas se concentrem em direção as paredes da câmara cônica de separação e as partículas ou fases menos densas se acumularem na direção do eixo de rotação do vórtice. Normalmente os componentes mais densos fluem para a parte inferior da câmara cônica de separação, onde eles podem ser removidos por meio do bico de saída de escoamento (130). As fases menos densas fluem para a parte superior da câmara cônica de separação, onde podem ser extraídas por meio do vortex finder / bico de saída de transbordamento.

[007] Ciclones líquido/líquido podem ser utilizados, por exemplo, para separar gotículas de petróleo da água, no entanto, a eficiência de remoção de gotículas declina rapidamente para gotas de petróleo com um diâmetro inferior a cerca de 20 μm. Em ciclone líquido/líquido, a fase líquida mais leve, juntamente com o gás livre, passam pelo vortex finder para a saída de transbordamento. A fase líquida mais pesada é removida pela saída de escoamento. Em ciclones líquido/sólido e gás/sólido, a maior parte do componente, que são a fase de líquido de e gás respectivamente, passa por meio de um vortex finder para a saída de transbordamento. Os componentes sólidos mais densos são removidos pela saída de escoamento. Em ambos os ciclones líquido/líquido e líquido/sólido, as paredes afuniladas do ciclone ajudam a manter as forças de aceleração ao longo do comprimento do ciclone. No entanto, isso resulta em uma maior queda de pressão entre os bicos de entrada e de saída. Esta queda de pressão pode levar a problemas de projeto do sistema, por exemplo, se a pressão de sistema disponível for insuficiente, um conjunto de bombas a montante pode ser necessário aumentar o tamanho e o custo do equipamento necessário.

[008] No mercado de upstream de petróleo e gás, fluidos produzidos a partir de uma fonte, normalmente chegando com alta pressão, são uma combinação de petróleo, gás, água e partículas sólidas. De modo mais comum, as gotículas de petróleo são removidas da água produzida em campo de petróleo utilizando ciclones líquido/líquido, e partículas sólidas são removidas usando ciclones líquido/sólido. Os ciclones líquido/líquido (pacote de separação de petróleo) e líquidos/sólidos ciclones (pacote de separação de areia) são fornecidos em peças separadas e discretas de equipamento. Em alguns casos, particularmente em offshore, limitações de peso e espaço podem inibir a utilização de dois pacotes separados de separação de petróleo e separação de areia. Além disso, pressão inadequada do sistema a montante pode limitar ciclones operando em sua melhor eficiência de separação.

[009] Centrífugas fornecem um método centrífugo alternativo para separar uma mistura de fluido em seus componentes sendo que a separação é obtida pela rotação da parede de separador. A força centrífuga criada força os componentes mais densos a serem acumulados nas paredes da câmara de separação, e os componentes menos densos a concentrarem-se na direção do eixo de rotação. A energia para rotacionar a câmara é fornecida por meio de uma haste acionada por um motor. A fonte de externa de energia e o motor necessários para atingir forças centrífugas suficientes podem aumentar muito o tamanho e o custo de fabricação e funcionamento da centrífuga. Em virtude da relativa complexidade de seu design mecânico e a necessidade de um acionamento por motor, com vedações, rolamentos, circuitos de lubrificação e arrefecimento associados, centrífugas são significativamente mais caras, mais pesadas e ocupam mais espaço do que um ciclone projetado para a mesma capacidade. Centrífugas normalmente estabelecem um fluxo rotativo em grande volume da mistura de fluido normalmente sem o vórtice livre que é estabelecido em um ciclone. Isto pode resultar em forças centrífugas menores e redução de eficiência de separação nas proximidades do eixo comparado a um ciclone para o mesmo rendimento.

[010] Centrífugas podem ser projetadas para fornecer forças maiores de aceleração gravitacional em comparação com ciclones, e portanto, teoricamente, alcançar maior eficiência de separação, por exemplo, na separação de gotículas de água do petróleo bruto, centrífugas podem remover gotículas de água com um diâmetro na faixa de 2 μm e acima. Centrifugadores têm sido utilizados em tarefas de difícil separação sobre aplicações de produção de petróleo, tais como em campos de petróleo pesado em que a densidade do petróleo é próxima à densidade da água e está além das capacidades de separação de um hidrociclone. No entanto, tais projetos de centrifugação são muitas vezes limitados a operação de rendimento relativamente baixo e a pressões operacionais relativamente baixas, normalmente à pressão atmosférica ou próximo. Centrífugas também normalmente necessitam de bombas dedicadas de alimentação de entrada, o que aumenta ainda mais o tamanho, os custos de produção, os custos operacionais e o consumo de energia das máquinas.

[011] Assim, dispositivos e métodos conhecidos para a separação de uma mistura de fluido em componentes têm uma série de limitações associados em si, e aspectos da presente invenção, em pelo menos alguns de seus modos de execução, buscam resolver pelo menos alguns dos problemas e necessidades descritos acima.

[012] De acordo com o primeiro aspecto da invenção, é fornecido um dispositivo de separação para a separação de um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes, compreendendo:

[013] uma estrutura de suporte;

[014] ao menos um canal montado sobre a, ou dentro da, dita estrutura de suporte para rotação em torno de um eixo;

[015] ao menos uma entrada para introduzir um fluxo de dito fluido em no dito ao menos um canal; e

[016] ao menos uma saída para produzir pelo menos um dos ditos componentes resultantes;

[017] em que o dito ao menos um canal é configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo de dito fluido é aplicado, dito canal é acionado para girar sobre a, ou dentro da, dita estrutura de suporte sobre o dito eixo, separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes.

[018] O dito ao menos um canal pode ser um tubo de separação.

[019] O dito ao menos um canal pode ser configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo de dito fluido tendo um componente em velocidade diferente de zero em uma direção paralela ao eixo é aplicado, dito canal é acionado para rotacionar sobre a, ou dentro da, dita estrutura de suporte sobre o dito eixo, separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes.

[020] O dito ao menos um canal pode ser configurado de modo que, em uso, quando um fluxo de dito fluido em uma direção substancialmente paralela ao eixo é aplicado, dito canal é acionado para rotacionar sobre a, ou dentro da, dita estrutura externa de suporte sobre o dito eixo, separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes.

[021] O dito ao menos um canal pode ser configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo de dito fluido é aplicado da dita entrada, dito canal é acionado para rotacionar sobre a, ou dentro da, dita estrutura de suporte sobre o dito eixo, separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes.

[022] O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase líquida. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, duas fases líquidas. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa e uma fase de petróleo. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase gasosa. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa, uma fase de petróleo e uma fase gasosa. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase sólida. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa, uma fase de petróleo, uma fase gasosa e uma fase sólida, ou qualquer combinação destes.

[023] O dito ao menos um canal pode compreender um tubo. O tubo pode ter um diâmetro variável ou constante ao longo de seu comprimento. O tubo pode ter um diâmetro interno variável ou constante ao longo de seu comprimento. O tubo pode ter um diâmetro externo variável ou constante ao longo de seu comprimento. O tubo pode ser um tubo cilíndrico.

[024] O ao menos um canal pode compreender uma ou mais palhetas anexadas ou formadas integralmente com o dito canal. As palhetas podem ser pás de turbinas, hélices, rotores, estatores, espirais, nervuras, aletas, ou similar, ou qualquer combinação destes (todos aqui referidos como palhetas).

[025] As ditas palhetas podem ser anexadas ou formadas integralmente com a superfície interna do canal.

[026] As ditas palhetas podem compreender um eixo central. As palhetas podem rotacionar livremente em torno do eixo central. O eixo central pode compreender ao menos um entre uma entrada ou uma saída.

[027] O dito ao menos um canal pode montado sobre rolamentos. Os rolamentos podem entrar em contato com a superfície interna ou externa do canal. Os rolamentos podem ser instalados em conjunto com um tipo adequado de vedação.

[028] A estrutura de suporte pode ser uma estrutura de apoio interno de modo que é disposta dentro de, pelo menos, um canal. A estrutura de suporte pode ser uma estrutura de apoio externo de modo que é disposta fora de ao menos um canal. A estrutura de suporte pode compreender um invólucro. O ao menos um canal pode ser montado sobre rolamentos dentro ou fora da estrutura de apoio ou de invólucro.

[029] A ao menos uma saída pode compreender uma saída de transbordamento. A saída de transbordamento pode compreender um vortex finder.

[030] A ao menos uma saída pode compreender uma saída de escoamento.

[031] A ao menos uma entrada pode ser tangencial a pelo menos um canal.

[032] O dispositivo de separação pode ainda compreender uma câmara de entrada. A câmara de entrada pode ser uma câmara swirl. A câmara swirl ajuda a induzir um giro rotacional no fluido antes do fluido entrar no canal. O giro rotacional do fluido induzido pela câmara swirl pode ser melhorado por meio da utilização de uma entrada tangencial.

[033] O diâmetro de ao menos um canal pode ser entre 3 mm e 3 m.

[034] O diâmetro do dito ao menos um canal pode ser preferivelmente entre 30 mm e 60 mm.

[035] O comprimento de ao menos um canal pode ser entre 40 mm e 3 m.

[036] O comprimento de ao menos um canal pode ser preferivelmente entre 0,5 m e 1,1 m.

[037] O ao menos um canal pode ser uma pluralidade de canais.

[038] A ao menos uma entrada pode introduzir um fluxo de dito fluido à dita pluralidade de canais.

[039] O dispositivo de separação pode ainda compreender um gerador. O gerador pode ser um gerador externo. O ao menos um canal pode ser configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo de dito fluido é aplicado, dito canal é acionado para girar sobre o dito eixo, assim fazendo com que dito gerador gere energia elétrica. O dispositivo de separação pode compreender ainda um dispositivo de geração de campo eletrostático para gerar um campo eletrostático de modo que o líquido experiencie uma força eletrostática que aumenta a eficiência de separação do dispositivo de separação. O campo eletrostático pode ser fornecido de modo que pelo menos um componente do fluido coalesça. O ao menos um componente que coalesce pode conter gotículas, partículas ou bolhas. O ao menos um componente que coalesce pode ser uma fase líquida, de preferência de uma fase aquosa. O dispositivo de separação pode compreender ainda um coalescedor eletrostático adequado para coalescer eletrostaticamente ao menos um componente no fluido.

[040] Energia elétrica para gerar o campo eletrostático pode ser pelo menos parcialmente gerada pelo gerador.

[041] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido um método para separar um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes com o uso de um dispositivo de separação de acordo com o primeiro aspecto da invenção, o método compreendendo as etapas de:

[042] introduzir um fluxo de dito fluido no dito canal, por meio da dita entrada;

[043] assim fazendo com que dito canal rotacione sobre a, ou dentro da, dita estrutura de suporte sobre o dito eixo, separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes.

[044] Dito fluxo pode ter um componente de velocidade diferente de zero em uma direção paralela ao eixo de rotação.

[045] O fluxo pode ser numa direção substancialmente paralela ao eixo de rotação.

[046] O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase líquida. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, duas fases líquidas. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa e uma fase de petróleo. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase gasosa. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa, uma fase de petróleo e uma fase gasosa. O fluido pode ser compreendido por, pelo menos, uma fase sólida. O fluido pode ser compreendido por uma fase aquosa, uma fase de petróleo, uma fase gasosa e uma fase sólida, ou qualquer combinação destes.

[047] A ao menos uma fase pode compreender gotículas, partículas ou bolhas com diâmetro predominantemente superior a 2 μm. Ou seja, pelo menos metade das gotículas, partículas ou bolhas podem ter um diâmetro maior do que 2 μm.

[048] O diferencial de pressão entre uma entrada e uma saída depende de vários parâmetros, incluindo o diâmetro e comprimento do canal, a vazão de fluido, e a velocidade de rotação do canal. O dispositivo de separação pode ser projetado para fazer uso total da pressão de sistema disponível, a fim de otimizar o seu desempenho. Em um número de modos de execução, a pressão do fluido em pelo menos uma saída pode não ser superior a 0,8 bar a menos que a pressão de fluido em pelo menos uma entrada.

[049] A etapa de fazer com que dito canal rotacione sobre dito eixo pode fazer com que um gerador gere energia elétrica.

[050] Um campo eletrostático pode ser gerado de modo que o líquido experiencie uma força eletrostática que aumenta a eficiência de separação do dispositivo de separação. O campo eletrostático pode ser fornecido de modo que pelo menos um componente do fluido coalesça. O ao menos um componente que coalesce pode conter gotículas, partículas ou bolhas. O ao menos um componente que coalesce pode ser uma fase líquida, de preferência de uma fase aquosa. O método pode compreender ainda coalescer eletrostaticamente ao menos um componente no fluido.

[051] Energia elétrica para alimentar o campo eletrostático pode ser pelo menos parcialmente gerado pelo gerador.

[052] Enquanto que a invenção foi descrita acima, estende-se a qualquer combinação criativa das características acima expostas, ou na descrição, desenhos ou reivindicações a seguir. Por exemplo, qualquer funcionalidade descrita em relação a um aspecto da invenção é considerada como sendo divulgada também em relação a qualquer outro aspecto da invenção.

[053] Modos de execução da presente invenção serão agora descritos, como meio de exemplos, e com referência aos desenhos em acompanhamento, em que:

[054] A Figura 1 é uma vista transversal esquemática de um ciclone (estado da técnica);

[055] A Figura 2 é uma vista transversal esquemática de um primeiro modo de execução exemplar de um dispositivo de separação adequado para separar um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes;

[056] A Figura 3 é uma vista transversal esquemática de um segundo modo de execução exemplar de um dispositivo de separação que não compreendem um invólucro;

[057] A Figura 4 é uma vista transversal esquemática de um terceiro modo de execução exemplar de um dispositivo de separação com palhetas fora do tubo de separação;

[058] A Figura 5 é uma vista esquemática de um terceiro modo de execução exemplar de um dispositivo de separação contendo uma pluralidade de tubos de separação;

[059] A Figura 6 é uma vista transversal esquemática de um quarto modo de execução exemplar de um dispositivo de separação contendo uma pluralidade de tubos de separação em uma orientação horizontal; e

[060] A Figura 7 é uma vista transversal esquemática de um modo de execução exemplar de um dispositivo de separação anexado a um gerador;

[061] Um primeiro modo de execução exemplar da invenção é mostrado na Figura 2. O dispositivo de separação (10) compreende uma estrutura externa de suporte (12), um canal tal como um tubo de separação (14), um bico de entrada (16), um bico de saída de escoamento (18) e um bico de saída de transbordamento (20). Neste modo de execução, o tubo de separação (14) é um tubo cilíndrico, embora a invenção não esteja limitada pela geometria do tubo de separação. O tubo de separação (14) pode rotacionar sobre o seu eixo longitudinal (13) em relação à estrutura externa de suporte (12). Quando em uso, o tubo de separação (14) contém uma mistura de fluido. A rotação do tubo de separação (14) juntamente com qualquer fluxo rotacional induzido no fluido na entrada do tubo de separação gera uma força centrífuga, fazendo com que os componentes mais densos do fluido se acumulem nas paredes do tubo de separação (14) enquanto que os componentes menos densos se acumulam perto do eixo de rotação (13). O tubo de separação (14) é montado sobre a, ou dentro da, estrutura externa de suporte (12) por uma série de rolamentos (22), que permite livre rotação do tubo de separação, minimiza os atritos e reduz a taxa de desgaste mecânico entre a rotação do tubo de separação (14) e a estrutura externa de suporte (12). A estrutura externa de suporte (12) e o tubo de separação (14) podem ser projetados para suportar a pressão do sistema a montante. Em alguns modos de execução a estrutura externa de suporte (12) pode compreender um invólucro (15), que pode ser projetado para suportar a pressão total do sistema a montante, caso em que a pressão de projeto do tubo de separação (14) poderia ser reduzida. A Figura 3 mostra um segundo modo de execução exemplar de um dispositivo de separação em que a estrutura externa de suporte (12) não compreende um invólucro. Onde números iguais de referência foram utilizados em diferentes modos de execução exemplares, os números de referência correspondem a recursos que são idênticos. Em um outro modo de execução, o tubo de separação (14) pode ser montado na estrutura externa de suporte (12) em cada extremidade de uma haste central.

[062] O fluido entra na câmara de entrada (24) por meio do bico de entrada (16). A câmara de entrada (24) é preferencialmente cilíndrica. O bico de entrada (16) é preferencialmente tangencial (seja no sentido horário ou anti-horário) à câmara cilíndrica de entrada (24), de modo que o giro rotacional do fluido é parcialmente ou completamente estabelecido antes de entrar no tubo de separação (14). Outros modos de execução podem incluir um dispositivo de entrada, tal como uma câmara swirl, na câmara de entrada (24), e um dispositivo de saída na câmara de saída (25). O dispositivo de entrada ou câmara swirl ajuda a induzir um giro rotacional no fluido de entrada antes do fluido entrar no tubo de separação. O dispositivo de entrada ou câmara swirl pode compreender um vortex finder. O dispositivo de saída ajuda a segregar os componentes separados do fluido de entrada.

[063] O bico de entrada (16) pode ser orientado no sentido axial. Contudo, a invenção não é limitada pela orientação do bico de entrada (16), nem a incorporação de um dispositivo de entrada, como uma câmara swirl. O fluido é forçado sob a pressão da câmara de entrada (24) no tubo de separação (14). O orifício interno do tubo de separação (14) compreende palhetas (26), que são anexadas ou partes integrais da superfície interna do tubo de separação (14). Um eixo central (28) pode ser incluído para fornecer suporte às palhetas (26). Em alguns modos de execução, as palhetas (26) podem rotacionar livremente em torno do eixo central (28) e outros componentes internos. O eixo central (28) pode ser configurado como um tubo para permitir a remoção do fluido coletado no núcleo central ou para permitir a injeção de um fluido externo. À medida que o fluido flui ao longo do tubo de separação (14), e pelas palhetas (26), uma força rotacional é gerada, fazendo com que o tubo de separação (14) rotacione sobre seu eixo longitudinal. As palhetas (26) são preferencialmente, embora não necessariamente, posicionadas na extremidade a jusante do tubo de separação (14) a fim de minimizar forças de turbulência e de cisalhamento na seção de separação do tubo de separação (14). Em um modo de execução exemplar, mostrado na Figura 4, as palhetas (27) são anexadas a, ou formadas integralmente com, a extremidade transversal a jusante do tubo de separação (14). Neste modo de execução, as palhetas (27) são localizadas na câmara de saída (25) em vez de no diâmetro interno do tubo de separação (14). Em outros modos de execução as palhetas podem ser localizadas na câmara de entrada (24) e anexadas à extremidade transversal a montante do tubo de separação (14). As palhetas (26) ou (27) podem ser configuradas de forma que faça com que elas, e, por conseguinte, o tubo de separação (14), rotacionem quando submetidas a um fluxo de fluido que tem um componente em velocidade diferente de zero em paralelo ao eixo de rotação, isto é, um componente de velocidade axial. Em outro modo de execução, as palhetas (26) ou (27) podem ser configuradas de forma que faça com que elas, e, por conseguinte, o tubo de separação (14), rotacionem quando submetidas a um fluxo de fluido que tem um componente em velocidade diferente de zero em perpendicular ao eixo de rotação, isto é, uma componente de velocidade radial. Quando há pressão de entrada suficiente disponível, palhetas adicionais (26) podem ser instaladas para aumentar a velocidade de rotação do tubo, e a força centrífuga resultante. Se um longo tempo de permanência pode ser benéfico, ou se é considerado benéfico ao processo, o comprimento ou o diâmetro do tubo de separação (14) podem ser aumentados.

[064] A rotação do tubo de separação (14) juntamente com qualquer giro rotacional induzido na entrada de fluido mantém ou aumenta o perfil de fluxo espiral ou rotacional do fluido. A rotação da mistura de líquido dentro do tubo de separação (14) estabelece um vórtice na mistura de fluido. Uma força centrífuga faz com que componentes mais densos da mistura de fluido sejam acumulados nas paredes da câmara de separação (14), enquanto que os componentes menos densos sejam acumulados próximos ao eixo de rotação. Os componentes mais densos da mistura de fluido podem ser extraídos utilizando bico de saída de escoamento (18) ou bico de saída (31). Outros modos de execução podem incluir vários bicos de saída. Em outros modos de execução, sólidos separados (35) podem ser acumulados em uma zona de repouso tanto a uma zona de acumulação (36) por meio de aberturas na parede do tubo de separação (37) quanto a uma zona de acumulação (38) além da rotação do tubo de separação, em que eles podem ser removidos, respectivamente, utilizando um dispositivo de jato ou de fluidificação ou um método alternativo estabelecido, por exemplo, por meio dos bicos (32) ou (33). Os componentes menos densos podem ser extraídos de um bico de saída de transbordamento (20), ou por um bico de escoamento adicional (31). Em outros modos de execução, o bico de saída de transbordamento (20) pode incluir um vortex finder (30). O dispositivo de separação pode ser instalado em qualquer orientação incluindo horizontal ou vertical uma vez que as forças centrífugas criadas são tais que o impacto externo de gravidade é mínimo.

[065] Um terceiro modo de execução exemplar da invenção é mostrado na Figura 5. O dispositivo de separação (50) compreende uma estrutura externa de suporte (52), que pode ser projetada para suportar a pressão total do sistema a montante, e uma multiplicidade de tubos de separação (54). Neste modo de execução, cada tubo de separação na multiplicidade de tubos de separação (54) é considerado como sendo cilíndrico. Cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) pode girar independentemente dos outros tubos de separação ao longo do eixo longitudinal. Quando em uso, cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) contém uma mistura de fluido. A rotação de cada tubo de separação individual juntamente com qualquer fluxo rotacional induzido no fluido na entrada do tubo de separação gera uma força centrífuga, fazendo com que os componentes mais densos do fluido se acumulem na parede do dito tubo de separação em rotação enquanto que os componentes menos densos se acumulam perto do eixo de rotação. A multiplicidade de tubos de separação (54) é montada dentro da estrutura externa de suporte (52) por uma série de rolamentos (55), que permitem livre rotação dos tubos de separação, minimiza os atritos e reduz a taxa de desgaste mecânico entre a rotação dos tubos de separação e a estrutura externa de suporte (52).

[066] O fluido entra no dispositivo de separação (50) por meio do bico de entrada (56). Outros modos de execução podem incluir vários bicos de entrada. O fluido é forçado sob a pressão da câmara de entrada (58) na multiplicidade de tubos de separação (54). Outros modos de execução podem incluir um dispositivo de entrada (57), tal como uma câmara swirl na entrada, e um dispositivo de saída (59) na saída principal de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54). O dispositivo de entrada (57) ou câmara swirl ajuda a induzir um giro rotacional ao fluido de entrada, e pode compreender um vortex finder. O dispositivo de saída (59) ajuda a segregar os componentes separados do fluido de entrada. O dispositivo de entrada (57) e o dispositivo de saída (59) podem independentemente ser usados em conjunto com todos os modos de execução da presente invenção, incluindo os modos de execução mostrados nas Figuras 2 e 3. Os tubos de separação (54) podem ser montados em uma placa-tubo (60) em cada extremidade. As placas-tubo (60) fornecem suporte mecânico e formam uma vedação em cada extremidade da multiplicidade de tubos de separação (54) e dos dispositivos de entrada e de saída (57) e (59).

[067] O orifício interno de cada tudo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) compreende palhetas (62), que são integralmente formadas com a superfície interna de dito tubo de separação. Um eixo central (64) pode ser incluído para fornecer suporte às palhetas (62) ou outros componentes internos. Em alguns modos de execução, as palhetas (62) podem rotacionar livremente em torno do eixo central (64) e outros componentes internos. O eixo central (64) pode ser configurado como um tubo para permitir a remoção do fluido coletado no núcleo central ou pode permitir a injeção de um fluido externo. À medida que o fluido flui ao longo de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54), e pelas palhetas (62), uma força rotacional é gerada, fazendo com que dito tubo de separação gire sobre seu eixo longitudinal. As palhetas (62) são preferencialmente, embora não necessariamente, posicionadas na extremidade a jusante de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) a fim de minimizar forças de turbulência e de cisalhamento na seção de separação do dispositivo. Quando há pressão de entrada suficiente disponível, palhetas adicionais (62) podem ser instaladas para aumentar a velocidade de rotação de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54), e a força centrífuga resultante. Se um tempo de permanência mais longo puder ser benéfico, o comprimento ou o diâmetro da multiplicidade de tubos de separação (54) podem ser aumentados.

[068] A rotação de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) induz a mistura de fluido no interior do dito tubo de separação para ter um perfil de fluxo espiral ou rotacional. Além disso, a rotação de cada tubo de separação multiplicidade de tubos de separação (54), juntamente com qualquer fluxo rotacional induzido ao fluido na entrada de fluido, mantém ou aumenta o perfil de fluxo espiral ou de rotação do fluido, e gera uma força centrífuga dentro de cada tubo de separação na multiplicidade de tubos de separação (54). A rotação do fluido dentro de cada tubo de separação da multiplicidade de tubos de separação (54) cria um vórtice na mistura de fluido dentro do dito tubo de separação, que é mantido e reforçado pela rotação do dito tubo de separação. A força centrífuga faz com que componentes mais densos da mistura de fluido sejam acumulados nas paredes de cada tubo de separação em rotação, enquanto que os componentes menos densos sejam acumulados próximos ao eixo de rotação. Os componentes mais densos da mistura de fluido podem ser extraídos utilizando o bico de saída de escoamento (66). Outros modos de execução podem incluir vários bicos de saída de escoamento. Os componentes menos densos podem ser extraídos do bico de saída de transbordamento (68), ou por um bico de escoamento adicional (76).

[069] Em outros modos de execução, sólidos separados (70) podem ser acumulados em uma zona de repouso tanto a uma zona de acumulação (71) por meio de aberturas na parede do tubo de separação (72) quanto a uma zona de acumulação (73) além da rotação do tubo de separação, em que eles podem ser removidos utilizando um dispositivo de jato ou de fluidificação ou um método alternativo estabelecido, por exemplo, por meio dos bicos (74) ou (75), respectivamente.

[070] Outros modos de execução podem incluir vários bicos de saída de transbordamento.

[071] Melhor uso pode ser atingido por meio da segmentação dos tubos de separação em um número de compartimentos com seu(s) próprio(s) bico(s) de entrada e/ou saída, ou por isolar mecanicamente, eletricamente ou hidraulicamente, ou por restringir tubos de separação individuais ou múltiplos tubos de separação.

[072] Uma modificação do terceiro modo de execução exemplar, dispositivo de separação (50), é mostrado como um quarto modo de execução exemplar na Figura 6. Onde números iguais de referência foram utilizados em diferentes modos de execução exemplares, os números de referência correspondem a recursos que são idênticos. O dispositivo de separação (80) compreende uma estrutura externa de suporte (52) e uma multiplicidade de tubos de separação (54) em uma orientação horizontal. A presente invenção não é limitada pela orientação da multiplicidade de tubos de separação (54). Os tubos de separação (54) incentivam partículas sólidas mais densas a passarem pelas aberturas na parede do tubo de separação (72) a montante da placa-tubo (60c). As partículas sólidas (70) separados podem ser coletadas em uma zona de acumulação (73), em que podem ser removidas por meio do bico de saída (81) ou (82). Devido à remoção de partículas sólidas a montante da placa-tubo (60c), não é necessário incorporar dispositivos de saída (59) ou qualquer placa-tubo mais a jusante deste modo de execução exemplar, embora um destes ou ambos possam ser incluídos em outros modos de execução.

[073] Outros modos de execução dos modos de execução acima descritos do dispositivo de separação são fornecidos a seguir.

[074] Alguns modos de execução exemplares da invenção podem incluir abafadores ao longo do comprimento do tubo de separação a fim de melhorar ainda mais o seu desempenho.

[075] Modos de execução da invenção podem incluir palhetas que são, ou cujo mecanismo é, maior em diâmetro do que o tubo de separação.

[076] Modos de execução da invenção podem incluir palhetas cujo passo pode ser ajustado manualmente ou automaticamente.

[077] Modos de execução da invenção podem incluir o monitoramento e/ou ajuste automatizados da velocidade rotacional de cada tubo de separação.

[078] Modos de execução da invenção podem incluir um mecanismo como um transportador de parafuso ou raspador para mover sólidos coletados da parede interna do tubo de separação para a zona de acumulação de sólidos ou bico de descarga.

[079] Modos de execução da invenção podem incluir uma parede porosa ou com fendas do tubo de separação, permitindo a incorporação de uma parede interna de membrana ou filtração, o que permitiria a manutenção de componentes de tamanho ou característica adequados ou adjacentes à parede interna do tubo de separação e/ou a passagem de componentes de outro tamanho ou característica adequados na zona de acumulação.

[080] Modos de execução da invenção podem incluir um gás de cobertura ao redor do tubo de separação ou canal para minimizar ainda mais a perda de fricção devido a estar imerso em líquido na parede exterior.

[081] Modos de execução da invenção podem incluir injeção de gás à mistura da água de entrada, a fim de criar um melhor efeito de flotação induzida de gás e, assim, melhorar a eficiência de separação.

[082] Modos de execução da invenção podem incluir injetar um coagulante a montante, a fim de melhorar a eficiência de separação.

[083] Modos de execução da invenção podem incluir adicionar um líquido de diluição a montante, a fim de melhorar a eficiência de separação.

[084] Modos de execução da invenção podem incluir a conexão a um gerador. O gerador pode ser um gerador externo (84) como mostrado na Figura 7. A rotação do tubo de separação (14) faz com que o gerador gere energia elétrica. Onde números iguais de referência foram utilizados em diferentes modos de execução exemplares, os números de referência correspondem a recursos que são idênticos. O gerador externo (84) é conectado por um eixo (86) ao tubo de separação (14). A rotação do tubo de separação (14) fornece assim energia para o gerador externo (84).

[085] Modos de execução da invenção podem incluir o uso de um campo eletrostático dentro do tubo de separação. Métodos de uso de um campo eletrostático para melhorar a eficiência de separação de um dispositivo de separação são conhecidos no estado da técnica. Por exemplo, coalescedores eletrostáticos são comumente utilizados em processos de separação líquido/líquido, incluindo no mercado de upstream de petróleo e gás para a desidratação e dessalinização do petróleo bruto antes de sua entrega na refinaria. Esses métodos conhecidos podem ser adaptados para uso em conjunto com todos os modos de execução da presente invenção. A energia elétrica para o campo eletrostático pode ser gerada por meio de um gerador.

[086] Modos de execução da invenção podem incluir a conexão a um gerador e o uso de um campo eletrostático dentro do tubo de separação, em que a rotação do tubo de separação faz com que o gerador gere energia elétrica, e a energia elétrica para o campo eletrostático é pelo menos parcialmente gerada pelo dito gerador.

[087] Modos de execução da invenção podem incluir lâminas de turbo- expansor de gás em uma saída de gás, para melhorar ainda mais a eficiência de separação ou aumentar a recuperação de energia.

[088] Modos de execução da invenção podem incluir palhetas de tipo Pelton ou Francis ou Kaplan ou lâminas de turbina na parede interna ou externa do tubo de separação para melhorar ainda mais a eficiência de separação ou aumentar a recuperação de energia que deve exceder pressão ou fluido disponíveis do sistema.

[089] Alguns modos de execução podem ser adequados para readaptação dentro de recipientes de ciclone líquido-líquido ou sólido-líquido existentes, a fim de melhorar a eficiência de separação ou melhorar a capacidade de processamento ou de operar em uma menor queda de pressão ou uma combinação destes.

[090] Modos de execução exemplares da invenção podem prever um dispositivo de separação para separar uma mistura de fluido em pelo menos dois componentes sob a força centrífuga em que um rendimento contínuo pode ser alcançado sem uma queda significativa na pressão entre a entrada e a saída da mistura de fluido no dispositivo de separação. A invenção, por conseguinte, permite uma maior capacidade de rendimento da mistura de fluidos e/ou uma maior eficiência de separação em comparação com ciclones conhecidos de um diâmetro similar.

[091] Um dispositivo de separação de acordo com vários aspectos pode ser adequado para separação de fase gás/sólido, líquido/sólido, líquido/líquido e líquido/gás ou uma combinação de mais de duas fases. A mistura de fluido pode incluir qualquer combinação de gases ou múltiplos líquidos imiscíveis de densidades diferentes ou partículas sólidas. O dispositivo de separação poderia simultaneamente retirar água, petróleo, gás e areia ou qualquer combinação destes, de uma mistura de fluido de um poço de campo de petróleo ou fluxo de processo similar, enquanto que opera com eficiência semelhante ou superior e/ou com uma queda de pressão mais baixa do que ciclones.

[092] A eficiência de separação de um dispositivo de separação de acordo com os modos de execução exemplares se aproxima àquela atingida por uma centrífuga, enquanto não requer um motor externo rígido, e exibindo espaço, peso, e custo-benefício similares aos de um ciclone. A força centrífuga para separação é gerada pela rotação de, pelo menos, um canal em que a mistura de fluido passa por palhetas internas ou externas, que, por força dos fluidos passando através deles, transmitem força rotacional no canal. A velocidade rotacional do tubo de separação transmite e mantém forças centrífugas na mistura de líquido de forma que a separação da mistura de fluido é alcançada. Uma fonte externa de energia ou motor externo não são, portanto, necessários para o funcionamento da presente invenção, embora possam ser incorporados para melhorar ainda mais a eficiência de separação ou operacionalidade do dispositivo de separação. Além disso, o presente dispositivo de separação não requer a extensão de vedações externas, rolamentos, e circuitos de lubrificação e arrefecimento externos associados, que normalmente são necessários para a operação de centrífugas.

[093] Modos de execução da presente invenção podem ser usados como uma operação de unidade em associação com outros equipamentos a montante ou a jusante, tais como separadores, ciclones, unidades de flotação, membranas, coalescedores, filtros, centrífugas, bombas ou válvulas etc, e unidades adicionais deste dispositivo de separação.

[094] A presente invenção pode encontrar usos em upstream de petróleo e gás (onshore, offshore e submerso), e aplicação em tratamento de água e resíduo, processamento de minerais, mineração, processamento de papel e celulose, nuclear, farmacêutica, médica, em alimentação, em bebida ou automotivas. Uma outra utilização pode ser na remoção de partículas ou poeira de um fluxo de gás operando ou sob pressão ou sob um vácuo, em que a menor queda de pressão seria mais eficiente em energia em comparação a um ciclone.

[095] Será apreciado por um especialista no assunto, a partir da descrição acima, que modificações e variações podem ser feitas para os modos de execução descritos sem sair do âmbito da invenção, tal como definido pelas reivindicações anexas.

Claims (16)

1. 01. Um dispositivo de separação (10, 50, 80) para a separação de um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes, caracterizado por compreender: uma estrutura de suporte (12, 52); ao menos um tubo de separação (14, 54) montado sobre ou dentro da dita estrutura de suporte (12, 52) para rotação em torno de um eixo (13), em que dito ao menos um tubo de separação (14, 54), compreende uma ou mais palhetas (26, 27, 62) anexadas ou formadas integralmente ao dito tubo de separação (14, 54); ao menos uma entrada (16, 56, 57) para introduzir um fluxo de dito fluido em ao menos um tubo de separação (14, 54); e ao menos uma saída (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) para a saída de pelo menos um dos ditos componentes, em que a ao menos uma saída (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) compreende uma saída de transbordamento (20, 31, 68), e a saída de transbordamento (20, 31, 68) compreende um localizador de vórtex finder (30); em que o dito ao menos um tubo de separação (14, 54) é configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo de dito fluido é aplicado, dito tubo de separação (14, 54) é acionado para rotacionar sobre ou dentro da dita estrutura de suporte (12, 52) sobre o dito eixo (13), separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes, em que a rotação do tubo de separação (14, 54) juntamente com qualquer rotação induzida na entrada (16, 56, 57) mantém ou aumenta um perfil de fluxo espiral ou rotativo do fluido, e a rotação do fluido dentro o tubo de separação (14, 54) estabelece um vórtice no fluido pelo qual uma força centrífuga faz com que os componentes mais densos do fluido se acumulem em direção às paredes do tubo de separação (14, 54), enquanto os componentes menos densos se acumulam perto do referido eixo (13) e são extraídos perto do referido eixo (13) pelo vórtice finder (30).
2. 02. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com a reivindicação 01, caracterizado por as palhetas (26, 27, 62) serem anexadas ou formadas integralmente com uma superfície interna ou externa do dito tubo de separação (14, 54).
3. 03. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com a reivindicação 02, caracterizado por as ditas palhetas (26, 27, 62) compreenderem um eixo central (28), e opcionalmente o eixo central (28) compreender ao menos uma entre uma entrada ou uma saída.
4. 04. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ao menos um tubo de separação (14, 54) ser montado sobre rolamentos.
5. 05. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a estrutura de suporte (12, 53) compreender uma estrutura interna de suporte e/ou a estrutura de suporte (12, 52) compreender uma estrutura externa de suporte.
6. 06. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ao menos uma saída compreender uma saída de escoamento.
7. 07. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ao menos uma entrada (16, 56, 57) ser tangencial à ao menos um tubo de separação (14, 54).
8. 08. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o dispositivo de separação (10, 50, 80) compreender ainda uma câmara de entrada (24, 57, 58).
9. 09. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ao menos um tubo de separação (14, 54) ser uma pluralidade de tubos de separação (54), e opcionalmente ao menos uma entrada (56) introduzir um fluxo do dito fluido à dita pluralidade de tubos de separação (54).
10. 10. O dispositivo de separação (10, 50, 80) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender ainda um gerador, em que o ao menos um dos tubos de separação (14, 54) é configurado de modo que, em uso, quando dito fluxo do dito fluido é aplicado, dito tubos de separação (14, 54) é acionado para rotacionar sobre o dito eixo, fazendo com que o gerador gere energia elétrica.
11. 11. Um método para separar um fluido, dito fluido compreendendo vários componentes, em pelo menos dois componentes com o uso de um dispositivo de separação (10, 50, 80) definido na reivindicação 01, o método caracterizado por compreender as etapas de: introduzir um fluxo de dito fluido no dito tubo de separação (14, 54), por meio da dita entrada (15, 56, 57); assim fazendo com que dito tubo de separação (14, 54) rotacione sobre ou dentro da dita estrutura de suporte (12, 53) sobre o dito eixo (13), separando assim dito fluido em pelo menos dois componentes, em que a rotação do tubo de separação (14, 54) juntamente com qualquer rotação induzida na entrada (16, 56, 57) mantém ou aumenta um perfil de fluxo espiral ou rotativo do fluido, e a rotação do fluido dentro o tubo de separação (14, 54) estabelece um vórtice no fluido pelo qual uma força centrífuga faz com que os componentes mais densos do fluido se acumulem em direção às paredes do tubo de separação (14, 54), enquanto os componentes menos densos se acumulam perto do referido eixo (13) e são extraídos perto do referido eixo (13) pelo vórtice finder (30).
12. 12. O método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por dito fluxo ter um componente de velocidade diferente de zero em uma direção paralela ao eixo (13) de rotação.
13. 13. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 e 12, caracterizado por o fluido ser compreendido por ao menos uma fase líquida, e opcionalmente pelo fluido ser compreendido por ao menos duas fases líquidas.
14. 14. O método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o fluido ser compreendido por ao menos uma fase sólida.
15. 15. O método de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado por ao menos uma fase compreende gotículas, partículas ou bolhas com diâmetro superior a 2 μm.
16. 16. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado por a pressão do fluido em pelo menos uma saída não ser superior a 0,8 bar a menos que a pressão de fluido em pelo menos uma entrada.