BR112021010424A2

BR112021010424A2 - Dispositivo de filtro, unidade de filtro de membrana, uso de dispositivo de filtro, e, método para instalar uma pluralidade de unidades de filtro de membrana

Info

Publication number: BR112021010424A2
Application number: BR112021010424-0A
Authority: BR
Inventors: Pål Helge Nøkleby; Michael Hilditch (Falecido)
Original assignee: Aker Carbon Capture Norway As
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-08-24
Also published as: WO2020111949A1; NO20181546A1; NO345138B1; US11964236B2; GB2593635B; GB2593635A8; GB2593635A; CA3121455A1; US20220097005A1; GB202107678D0; AU2019386558A1

Abstract

DISPOSITIVO DE FILTRO, UNIDADE DE FILTRO DE MEMBRANA, USO DE DISPOSITIVO DE FILTRO, E, MÉTODO PARA INSTALAR UMA PLURALIDADE DE UNIDADES DE FILTRO DE MEMBRANA. Um dispositivo de filtro compreende duas ou mais unidades de filtro de membrana (108), cada qual tendo uma abertura de entrada para um fluxo de fluido (F) a ser processado, uma primeira abertura de saída para pelo menos uma porção (R) do dito fluxo de fluido e segundo orifício de saída para pelo menos uma porção restante (P) do dito fluxo de fluido. As respectivas aberturas de entrada de cada unidade de filtro de membrana (108) são fluidicamente conectadas a um coletor de entrada comum (101; 203) e as respectivas primeiras aberturas de saída de cada unidade de filtro de membrana (108) são fluidicamente conectadas a um coletor de saída comum (100; 200). Pelo menos uma unidade de filtro de membrana (108) é arranjada em uma primeira posição (L1) ao longo de um eixo geométrico longitudinal (x1) e pelo menos uma unidade de filtro de membrana (108) é arranjada em uma segunda posição (L2) ao longo do eixo geométrico longitudinal (x1), e as ditas duas unidades de filtro de membrana (108) não são axialmente alinhadas.

Description

1 / 22 DISPOSITIVO DE FILTRO, UNIDADE DE FILTRO DE MEMBRANA, USO DE DISPOSITIVO DE FILTRO, E, MÉTODO PARA INSTALAR

UMA PLURALIDADE DE UNIDADES DE FILTRO DE MEMBRANA Campo da invenção

[001] A invenção se refere ao campo de processamento de fluido e, mais precisamente, a filtração de fluidos usando uma pluralidade de filtros de membrana. Mais especificamente, a invenção se refere a um dispositivo de filtro, uma unidade de filtro de membrana, e um método de instalação associado, como apresentado pelos preâmbulos das reivindicações 1, 11 e 14. Fundamentos da invenção

[002] Um filtro de membrana compreende uma ou mais membranas (folhas finas ou películas) tendo tamanhos de poro específicos. Quando um fluido (por exemplo, um gás ou um líquido) é forçado contra a membrana, partículas maiores que o tamanho de poro são retidas, enquanto as demais partículas de fluido podem permear através dos poros da membrana. As partículas retidas podem ser, por exemplo, partículas microbiológicas, moléculas, ou íons, dependendo do tamanho de poro. Exemplos de tipos de filtro de membrana, definidos por seu tamanho de poro, são microfiltros, ultrafiltros e nanofiltros.

[003] Os filtros de membrana são usados em vários campos técnicos (por exemplo, purificação de água e purificação de gás) e indústria (por exemplo, serviços de utilidade pública, exploração de petróleo e gás). Por exemplo, um tipo de filtro de membrana é usado para remover água de correntes de poço de hidrocarbonetos, enquanto um outro tipo de filtro de membrana é usado para remover constituintes indesejados de um gás natural. Filtros de membrana para aplicações baseadas em terra em geral compreendem diversos filtros de membrana que são montados como vasos individuais e interconectados com pequena tubagem. Para tais aplicações, os filtros são colocados horizontalmente ou verticalmente e podem ser agrupados

2 / 22 em centenas de vasos de membrana em uma instalação. Esta é uma configuração bem conhecida para plantas de tratamento de água municipal, e frequentemente cobre grandes áreas. Entretanto, para uso submarino, esta configuração é impraticável e, em muitos casos, impossível por causa da pegada ocupada por tantas unidades. Além disso, o peso seria tão grande e todo o sistema ficaria propenso a ser danificado durante manuseio em plantas fora da costa.

[004] A técnica anterior inclui US 6.017.451 A, que descreve um adaptador aranha para um sistema de filtração de múltiplos módulos. Um adaptador aranha de múltiplos braços compreende um cubo central do qual braços individuais se irradiam. Os braços são adaptados em suas extremidades para acoplamento a módulos de filtro, de forma que múltiplos módulos de filtro possam ser presos em um único adaptador aranha, espaçados em torno da circunferência do cubo central. O adaptador aranha de múltiplos braços e módulos de filtro são arranjados dentro de uma carreta móvel. A técnica anterior também compreende CN 104226120 A, WO 00/62908 A1, WO 2016/108697 A1 e JP 2004/136173 A, que todas elas descrevem unidades de filtro de membrana.

[005] Uma tendência na indústria de petróleo e gás é que hidrocarbonetos produzidos por poços submarinhos subterrâneos são processados por equipamento submarino antes de exportação adicional para plantas na costa ou plantas de convés superior. Portanto, é necessário adaptar projetos existentes de maneira tal que eles possam ser usados no ambiente agressivo que é encontrado no fundo do mar e possam ser seguramente manuseados pelo equipamento aplicável e disponível para instalação e intervenção submarinas.

[006] WO 2016/108697 A1 (de Aker Subsea AS) descreve um sistema de processo no qual uma corrente gasosa contendo uma mistura de gases de hidrocarbonetos, CO2 e vapor d’água é alimentada em um separador

3 / 22 de membrana. A membrana no geral compreende um material de polímero tal como PEEK (poliéter éter cetona), e permite a permeação de gás CO2 e compostos inorgânicos, ainda retendo os componentes de gás de hidrocarbonetos típicos. Dessa forma, saindo do separador de membrana estão uma corrente de retentado de gás de hidrocarbonetos enriquecido e uma corrente de permeato compreendendo gás CO2 e compostos inorgânicos. Em virtude das quedas de pressão na membrana, a pressão da corrente de permeato é menor que a pressão da corrente de alimentação de gás e a pressão da corrente de retentado.

[007] Quando filtros de membrana são usados para processar fluidos de poço de reservatórios de hidrocarbonetos subterrâneos, particularmente em localizações submarinas (no fundo do mar), peso e tamanho das unidades de separador de membrana são parâmetros cruciais. Unidades com pouco peso, pouca altura e pequena pegada são preferidas, por causa das restrições de peso e espaço para a vasos de instalação, bem como para interface com outros componentes de fundo do mar quando instalados.

[008] Existem atualmente diversos projetos para múltiplos filtros de membrana e acondicionamento de filtro. Esses são, entretanto, baseados em múltiplos filtros de membrana arranjados entre duas placas, cada uma na extremidade de um vaso, com a entrada e saídas de duas das extremidades de membrana terminando em cada uma das duas extremidades. Isto permite apenas um nível de membranas com o diâmetro interno do vaso, nenhuma das soluções permite mais que um nível de filtros de membrana. Os conjuntos são também constituídos de vedações de extremidade e placas de retenção complicadas para vedar os fluxos umas nas outras em cada extremidade do vaso.

[009] Para acomodar mais filtros de membrana, esses vasos são aumentados no diâmetro para tamanhos de até 3 metros ou mais. Normalmente não são envolvidas altas pressões, de forma que a espessura do

4 / 22 material da parede do vaso e tamanhos do flange do corpo estão dentro de possibilidades de fabricação normal.

[0010] Para projetos da técnica anterior adequados para uso submarino, qualquer vaso de pressão com um flange de corpo não deve exceder 1.067 milímetros (42 polegadas) de diâmetro; isto é o flange de alta pressão máxima atualmente (técnica anterior) disponível na forma de um flange compacto aprovado para uso submarino. Na técnica anterior, flanges API normalmente não chegam a tamanhos superiores a 304,8 milímetros (12 polegadas), é portanto considerado que o maior vaso de pressão para uso submarino, com um flange de corpo total, não deve ser maior que o diâmetro de flange compacto máximo disponível usado no fundo do mar e como especificado pela ISO 27509 (primeira edição, 15 de dezembro de 2012).

[0011] A técnica anterior inclui o WO 2016/108697 A1 supramencionado, que descreve uma planta de separação submarina onde um separador de membrana é arranjado em um vaso de pressão adaptado para uso submarino. O vaso de pressão compreende duas partes de alojamento interconectadas por respectivos flanges, e tem uma abertura de entrada de gás para receber gás a ser tratado, uma abertura de saída de retentado, e um abertura de saída de permeato. Um conjunto de cartucho de membrana é constituído de uma pluralidade de cartuchos de membrana. Cada cartucho de membrana compreende uma camisa externa que aloja um elemento de membrana substancialmente cilíndrico. Uma abertura em cada camisa permite que gás entre no cartucho e escoe além do elemento de membrana.

[0012] Embora os separadores de membrana da técnica anterior configurados para uso submarino sejam compactos em comparação com sistemas separadores de membrana baseados em terra, melhoramentos adicionais são ainda necessários, para enfrentar as crescentes demandas de compacidade, recuperabilidade, confiabilidade e capacidade de suportar condições agressivas (incluindo extremas pressões externas).

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[0013] A técnica anterior também inclui US 2013/0168307 (de Siemens AG), que descreve um vaso de filtração cilíndrico pressurizado, compreendendo um elemento de filtro constituído de uma pluralidade de módulos de membrana de filtração (por exemplo, módulos de membrana de ultrafiltração), um distribuidor conectado a uma entrada para distribuir um fluido de entrada ao elemento de filtro, e um coletor conectado a uma saída para coletar um fluido de saída do elemento de filtro. Múltiplos filtros de membrana são arranjados em um único nível entre dois arranjos de placa de extremidade. A região de coleta/distribuição é a extremidade dos vasos de pressão, que é uma região em formato de domo elíptica flangeada retida por braçadeiras ou aparafusada no lugar. Este documento da técnica anterior mostra uma constituição complexa de placas de vedação, vedações e acessórios necessários para isolar cada extremidade do resto do vaso. Esses tipos de projetos frequentemente exigem dois flanges de corpo de vaso que novamente aumentam o peso do vaso. Além disso, qualquer problema com um filtro de membrana individual exigirá uma desmontagem completa do conjunto para acessar e remover ou substituir o filtro de membrana.

[0014] A instalação e recuperação de uma unidade de processo em uma localização no fundo do pode incorrer em altos custos e risco, é importante que esta operação possa ser feita eficientemente com um mínimo tempo de parada. Um principal fator na redução do tempo de parada é minimizar o peso da unidade de processo que está sendo manuseada. Nos últimos anos, o interesse evolui para unidades/módulos de processo mais compactos, especialmente para operações em águas profundas (por exemplo, até 3.000 metros de profundidade de água) onde as pressões externas exercidas no equipamento exigem extrema resistência de material, o que, por sua vez, ajuda o material a ser mais espesso e, consequentemente, mais pesado (tipicamente vasos de pressão). Além de ser necessário manusear unidades mais leves, sua janela operacional de desdobramento de condições

6 / 22 climáticas pode ser aumentada bastante.

[0015] Muitas unidades de processo submarinas removíveis são pesadas por causa de seus suportes estruturais e/ou armação de proteção circundantes, junto com o vaso da unidade de processo (por exemplo, corpo externo), dispositivos de conexão, tubagem e válvulas, etc. A maior parte das exigências de intervenção submarina para equipamento de filtração é para os componentes internos normalmente e exigiria substituição, reconfiguração e limpeza, etc. Em alguns casos, por causa de mudanças nas características da corrente do poço, a unidade de processo poderia ser mais bem favorecida com um tipo ou número alternativo de unidades de filtro. Sumário da invenção

[0016] A invenção é apresentada e distinguida na reivindicação principal, enquanto as reivindicações dependentes descrevem outras características da invenção.

[0017] É dessa forma provido um dispositivo de filtro, compreendendo duas ou mais unidades de filtro de membrana, cada qual tendo uma abertura de entrada para um fluxo de fluido a ser processado, uma primeira abertura de saída para pelo menos uma porção do dito fluxo de fluido e segundo orifício de saída para pelo menos uma porção restante do dito fluxo de fluido, e a respectivas aberturas de entrada de cada unidade de filtro de membrana são fluidicamente conectadas a um coletor de entrada comum e as respectivas primeiras aberturas de saída de cada unidade de filtro de membrana são fluidicamente conectadas a um coletor de saída comum, distinguido em que pelo menos uma unidade de filtro de membrana é arranjada em uma primeira posição ao longo de um eixo geométrico longitudinal e pelo menos uma unidade de filtro de membrana é arranjada em uma segunda posição ao longo do eixo geométrico longitudinal, e as ditas duas unidades de filtro de membrana não são axialmente alinhadas.

[0018] Os coletores podem ser estruturalmente interconectados por

7 / 22 meios de conexão ou podem ser soldados, colados, aparafusados, ou de outra forma interconectados para formar um cartucho de filtro de membrana unitário.

[0019] Em uma modalidade, as unidades de filtro de membrana são membros alongados que são arranjados ao longo de um eixo geométrico longitudinal do cartucho de filtro de membrana unitário.

[0020] O coletor de entrada e o coletor de saída de uma pluralidade de cartuchos de filtro de membrana podem ser conectados a um respectivo coletor de entrada aumentado e coletor de saída aumentado, para formar um cartucho de filtro de membrana unitário aumentado.

[0021] Em uma modalidade, as unidades de filtro de membrana são arranjadas em diferentes posições ao longo de um eixo geométrico longitudinal do cartucho de membrana unitário. O cartucho de filtro de membrana unitário e o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado podem cada qual formar corpos unitários alongados em torno de um eixo geométrico longitudinal comum.

[0022] Em uma modalidade, o cartucho de filtro de membrana unitário e o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado são cada qual configurados para ser inseridos em um dispositivo de retenção de pressão tendo uma seção transversal circular, tal como um vaso de pressão ou tubo.

[0023] Uma pluralidade de cartuchos de filtro de membrana unitários pode ser fluidicamente e estruturalmente interconectada em um relacionamento extremidade como extremidade, para formar uma cadeia de cartucho.

[0024] Em uma modalidade, o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado pode compreender meios de conexão por meio dos quais o cartucho de filtro de membrana pode ser conectado a, e suportado por, uma primeira parte do vaso de pressão como uma unidade individual.

[0025] Os meios de conexão estruturais podem compreender um

8 / 22 membro de travamento configurado para prover integridade estrutural e travar as unidades de filtro de membrana e coletores entre si. O membro de travamento pode ser conectado ao coletor de entrada e ao coletor de saída.

[0026] É também provida uma unidade de filtro de membrana, distinguida pelo dispositivo de filtro de acordo com a invenção, arranjada em um vaso de pressão e sendo fluidicamente conectada a um orifício de entrada e um orifício de saída do vaso de pressão; o vaso de pressão compreendendo adicionalmente uma abertura pela qual fluido filtrado pode passar.

[0027] O dispositivo de filtro de acordo com a invenção pode ser usado em um local submarino, onde um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários ou um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários aumentados são arranjados em um tubo ou um vaso de pressão, e um fluido de hidrocarbonetos é escoado para um orifício de entrada do dispositivo e um retentado é escoado para fora de um orifício de saída do dispositivo. O dispositivo pode ser colocado em um local no fundo do mar em uma orientação vertical (substancialmente vertical) ou em uma orientação substancialmente horizontal.

[0028] É também provido um método de instalação de uma pluralidade de unidades de filtro de membrana em um vaso de pressão, distinguido pelas etapas de: formar um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários ou um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários aumentados de acordo com a invenção; inserir o(s) filtro(s) de cartucho de membrana unitário(s) ou o(s) filtro(s) de cartucho de membrana unitário(s) aumentado(s) em um vaso de pressão como uma unidade integral.

[0029] A etapa de inserção pode ser precedida pela conexão do cartucho de filtro de membrana unitário a uma primeira parte do vaso de pressão, por meio do que o cartucho e a primeira parte do vaso de pressão

9 / 22 podem ser manuseados como uma unidade.

[0030] A invenção permite o acondicionamento de múltiplas unidades de filtro de membrana como um único cartucho unitário, ou cartuchos aumentados, para instalação no espaço confinado de um dispositivo de retenção de pressão, tal como um tubo ou um vaso de pressão. Breve descrição dos desenhos

[0031] Essas e outras características da invenção ficarão claras a partir da descrição seguinte de uma forma preferencial de modalidade, dada como um exemplo não restritivo, com referência aos desenhos anexos (fora de escala), em que: a Figura 1a é uma vista lateral de um filtro de membrana típico, enquanto a figura 1b ilustra uma modalidade de uma unidade de filtro de membrana, compreendendo um filtro de membrana, tampa de extremidade e adaptadores; a Figura 2 é um desenho esquemático de uma primeira modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, compreendendo duas unidades de filtro de membrana conectadas a coletores comuns e condutos associados; a Figura 3 é um desenho esquemático de uma segunda modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, compreendendo oito unidades de filtro de membrana conectadas a coletores comuns e condutos associados; a Figura 4 é um desenho em perspectiva da modalidade ilustrada na figura 3, em um estado parcialmente montado; a Figura 5 é um desenho em perspectiva da modalidade ilustrada na figura 4, em um estado montado; a Figura 6 é uma vista ampliada da área marcada "A" na figura 4; a Figura 7 é uma vista ampliada da área marcada "B" na figura

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4, entretanto com certas partes removidas para efeitos de ilustração; a Figura 8 é uma vista de cima, ao longo do eixo geométrico longitudinal, da modalidade ilustrada na figura 5; a Figura 9 é uma vista de baixo, ao longo do eixo geométrico longitudinal, da modalidade ilustrada na figura 5; a Figura 10 é um desenho esquemático de uma terceira modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, compreendendo três cartuchos de filtro de membrana unitários da segunda modalidade conectados a coletores comuns e condutos associados; a Figura 11 é uma vista explodida da modalidade ilustrada na figura 10; a Figura 12 é um desenho em perspectiva da modalidade ilustrada na figura 11, em um estado montado; a Figura 13 é uma vista ampliada da área marcada "C" na figura 12, entretanto como uma vista parcialmente explodida; a Figura 14 é uma vista ampliada da área marcada "D" na figura 12, entretanto como uma vista parcialmente explodida; a Figura 15 é uma vista de cima, ao longo do eixo geométrico longitudinal, da modalidade ilustrada na figura 12; a Figura 16 é uma vista lateral seccional da modalidade ilustrada na figura 12, instalada em um vaso de pressão; a Figura 17 é uma vista lateral seccional da modalidade ilustrada na figura 12, conectado a uma primeira seção de um vaso de pressão e parcialmente inserida em uma segunda seção do vaso de pressão; a Figura 18 corresponde à figura 17, mas mostra uma orientação invertida, a Figura 19 é uma vista lateral seccional de uma variante da primeira seção do vaso de pressão ilustrado nas figuras 16-18; a Figura 20 é uma vista lateral seccional de uma variante da

11 / 22 segunda seção do vaso de pressão ilustrado nas figuras 16-18; a Figura 21 é um desenho esquemático de uma quarta modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, compreendendo seis unidades de filtro de membrana conectadas a coletores comuns e condutos associados; a Figura 22 é uma vista explodida da modalidade ilustrada na figura 21, menos as unidades de filtro de membrana; a Figura 23 é uma vista em perspectiva da modalidade ilustrada na figura 21; a Figura 24 é um desenho esquemático de uma quinta modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, compreendendo três cartuchos de filtro de membrana unitários da quarta modalidade conectados a coletores comuns e condutos associados; a Figura 25 é uma vista lateral de três cartuchos de filtro de membrana unitários de acordo com a modalidade ilustrada na figura 23, em um estado desmontado; a Figura 26 corresponde à figura 25, e mostra os três cartuchos de filtro de membrana unitários em um estado montado, formando a quinta modalidade ilustrada na figura 24; a Figura 27 é uma vista em perspectiva do cartucho de filtro de membrana unitário ilustrado na figura 26, instalado em um tubo; a Figura 28 é uma vista em perspectiva do cartucho de filtro de membrana unitário ilustrado na figura 26, instalado em um tubo; e as Figuras 29 e 30 são vistas em perspectiva comparando uma modalidade da invenção a um exemplo da técnica anterior. Descrição detalhada de modalidades da invenção

[0032] A descrição seguinte pode usar termos tais como “horizontal”, “vertical”, “lateral”, “para trás e para frente”, “para cima e para baixo”, ”superior”, “inferior”, “interno”, “externo”, “dianteiro”, “traseiro”, etc. Esses

12 / 22 termos no geral se referem às vistas e orientações mostradas nos desenhos e que são associadas com um uso normal da invenção. Os termos são usados apenas para conveniência do leito e não devem ser limitantes.

[0033] A invenção se refere à montagem de múltiplos (isto é, dois ou mais) filtros de membrana para formar um cartucho unitário para inserção em um dispositivo de retenção de pressão tal como um vaso cilíndrico ou um tubo. Nas modalidades descritas a seguir, o filtro de membrana é uma unidade de ultrafiltração, que é bem conhecida na técnica. Um exemplo de tal filtro de membrana 60 é mostrado na figura 1a. O filtro de membrana tem no geral um fluxo de processo para dentro do filtro, e dois fluxos de processo para fora. O fluxo de processo para dentro do filtro é não filtrado, e uma porção do fluxo de processo passa através da membrana (o permeato), enquanto a porção restante do fluxo de processo sai ao longo das fibras ocas da membrana (o retentado). Na figura 1a, dois cenários de fluxo são ilustrados. O sinal de referência Fa designa o fluxo não filtrado para o filtro de membrana, Ra designa o retentado, enquanto Pa designa o fluxo de permeato. Em um processo de fluxo reverso, o fluxo não filtrado Fb é escoado para a membrana, o permeato Pb escoa para fora da membrana, enquanto o retentado Rb não passa através da membrana. Versados na técnica entenderão que, em uma aplicação prática, o filtro de membrana é revestido por um vaso (não mostrado na figura 1a). Embora a invenção seja aplicável a ambos os cenários de fluxo, deve-se entender que o primeiro é o mais comum. Deve-se entender que o filtro de membrana pode ser orientado em qualquer direção vertical ou horizontal, e o padrão de fluxo é normalmente descrito em relação a sua orientação.

[0034] O filtro de membrana 60 pode ter muitas diferentes formas nas extremidades do filtro. Entretanto, entretanto qualquer que seja a forma (quer plana quer adaptada com conexões tal como um inserto de tubo ou extremidades flangeadas) o projeto seria modificado para se adequar às partes

13 / 22 de conexão e não desvia da forma da invenção.

[0035] A Figura 1b ilustra como o filtro de membrana 60, em uma aplicação prática, é provido com um copo de extremidade 62 (na extremidade de retentado R) e um adaptador de tubo 61 na extremidade do fluxo de entrada de processo F. O copo de extremidade 62 é provido com um flange 63 para firma a conexão na tubagem adicional, e o copo de extremidade 62 é adaptado na extremidade do retentado do filtro de membrana 60 por meio de um anel-O 65 a fim de vedar a extremidade do retentado no copo de extremidade. Esta conexão segura e flangeada é necessária, já que normalmente existe uma grande queda de pressão através desta extremidade do filtro de membrana. O adaptador de tubo 61 é provido com uma vedação de anel-O 64, que é configurada para engate de forma vedada com um soquete (não mostrado na figura 1b), que é descrito a seguir. Esta extremidade do filtro de membrana tem normalmente muito pouca diferença de pressão, e portanto não precisa ser uma extremidade flangeada.

[0036] O filtro de membrana 60 e adaptadores de extremidade 61, 62 a seguir serão referidos de forma geral como uma unidade de filtro de membrana 108. Deve-se notar, entretanto, que o copo de extremidade flangeado e vedações de anel-O ilustrados são apenas um exemplo de muitos possíveis meios de conexão. Por exemplo, outras conexões poderiam ser soldadas, presas por braçadeira ou aparafusadas. Tais meios de conexão são bem conhecidos pelos versados na técnica, e portanto não serão descritos em detalhe adicional.

[0037] Referindo-se agora à figura 2, o aparelho da invenção compreende em sua forma mais básica uma pluralidade (isto é, duas ou mais) unidades de filtro de membrana 108 arranjadas em paralelo e conectadas a coletores comuns 100, 101, que, por sua vez, são conectados ao respectivo conduto de entrada 111 e conduto de saída 112. Na modalidade ilustrada, uma unidade de filtro de membrana 108 é fluidicamente conectada aos coletores

14 / 22 por meio de um primeiro conjunto de condutos 103, 105 e a outra unidade de filtro de membrana 108 é fluidicamente conectada aos coletores por meio de um segundo conjunto de condutos 102, 104. No primeiro conjunto de condutos, o primeiro conduto 103 é maior que o segundo conduto 105. No segundo conjunto de condutos, o primeiro conduto 102 é menor que o segundo conduto 104. Nota-se que os comprimentos totais de ambos os trajetos de fluxo são os mesmos (isto é, o comprimento de: primeiro conduto 103 + unidade de filtro de membrana 108 + segundo conduto 105 = comprimento de: primeiro conduto 102 + unidade de filtro de membrana 108 + segundo conduto 104). Este conjunto de unidades de filtro de membrana 108 assim forma um cartucho de filtro de membrana unitário 120, isto é, o cartucho que pode ser manuseado como uma entidade. Os condutos 102-105 podem ser tubos de um projeto que é normalmente usado na indústria. Os condutos no geral têm diâmetros externos similares, e esses diâmetros são consideravelmente menores que os diâmetros externos da unidade de filtro de membrana 108. Este recurso, junto com o arranjo longitudinalmente desencontrado das unidades de filtro de membrana, permite que as unidades de filtro de membrana 108 sejam arranjadas próximas umas das outras. No contexto desta descrição, “desencontrado” deve significar que as unidades de filtro de membrana são arranjadas em diferentes posições no sentido longitudinal ao longo do eixo geométrico longitudinal e dessa forma não axialmente alinhadas.

[0038] Referindo-se agora às figuras 3 a 9, uma outra modalidade do cartucho de filtro de membrana unitário 120’ será descrita. Nessa modalidade, o cartucho de filtro de membrana unitário 120’ compreende oito unidades de filtro de membrana 108, e cada unidade de filtro de membrana 108 é fluidicamente conectada em uma primeira extremidade a um primeiro coletor 100 e em uma segunda extremidade a um segundo coletor 101. Os coletores compreendem câmaras internas e são equipados com um número de tubos

15 / 22 comuns em uma extremidade à câmara. O primeiro coletor 100 compreende segundos condutos (tubos) 104, 105 providos com flanges 107, configurados para conexão ao flange 63 (vide figura 1b) em uma respectiva unidade de filtro de membrana 108. O segundo coletor 101 compreende primeiros condutos (tubos) 102, 103 providos com soquetes 106, configurados para conexão ao tubo de extremidade de fluxo de entrada 61 (vide figura 1b) em uma respectiva unidade de filtro de membrana 108. Durante o procedimento de montagem, o adaptador de tubo 61 com anel-O 64 é inserido no respectivo soquete 106, mediante o que o flange 63 é afixado a uma terminação flangeada correspondente 107.

[0039] Para uso em um ambiente submarino, módulos para instalação no fundo do mar são restringidos a uma altura de cerca de 8 metros já que isso se adequa ao equipamento de içamento e manuseio de módulo de instalação de vasos de serviço. Portanto, qualquer vaso de pressão que aloja o filtro de membrana deve preferivelmente estar dentro da altura do módulo submarino, e isso normalmente limitará o número de cartuchos de filtro de membrana em um vaso de pressão a dois, um acima do outro . Outras formas da mesma ideia podem ser usadas em múltiplas pilhas para inserção em tubo comprido, isso é descrito a seguir.

[0040] Nas modalidades ilustradas, as unidades de filtro de membrana 108 são portanto agrupadas em dois níveis L1, L2 (inferior e superior, se o cartucho 120’ for arranjado em uma posição vertical, como mostrado na figura 5). Esses níveis são desencontrados um em relação ao outro, e não axialmente alinhados. Dessa forma, a extremidade de retentado de uma unidade de filtro de membrana em um primeiro nível L1 é conectada ao primeiro coletor 100 por meio de um tubo 104 que é maior que a unidade de filtro de membrana à qual ele é conectado. A extremidade de fluxo de entrada de uma unidade de filtro de membrana no primeiro nível L1 é conectada ao segundo coletor 101 por meio de um tubo menor 102. Correspondentemente,

16 / 22 a extremidade de retentado de uma unidade de filtro de membrana em um segundo nível L2 é conectada ao primeiro coletor 100 por meio de um tubo menor 105, enquanto a extremidade de fluxo de entrada é conectada ao segundo coletor 101 por meio de um tubo 103 que é maior que a unidade de filtro de membrana à qual ele é conectado. Como aqui explicado com referência à figura 2, esta configuração permite que as unidades de filtro de membrana 108 sejam colocadas mais próximas uma da outra (em direção ao eixo geométrico longitudinal x1), por meio do que a circunferência pode ser reduzida. Isso é ilustrado nas figuras 8 e 9, onde a circunferência Ø é indicada na figura 9.

[0041] Na modalidade ilustrada na figura 4, os coletores superior e inferior 100, 101 são unidos entre si por uma barra de conexão 109, aparafusadas nos membros de conexão correspondentes. O membro de conexão 110 no segundo (inferior) coletor é ilustrado na figura 7. A barra de conexão serve como um membro estrutural para reter os primeiro (superior) e segundo (inferior) coletores um no outro e dessa forma travar as unidades de filtro de membrana 108 no lugar, de maneira tal que o cartucho de filtro de membrana unitário 120’ possa ser manuseado como uma entidade estrutural. Esta barra de conexão 109 é útil já que permite que os tubos sejam simplesmente ligados em seus respectivos soquetes. Deve-se entender que a barra de conexão 109 não é exigida se os tubos, soquetes e coletor forem soldados, colados, aparafusados, ou de outra forma interconectados.

[0042] Entende-se que o cartucho de filtro de membrana 120’ pode ser usado como um único cartucho em um vaso de pequeno diâmetro ou como uma combinação de uma pluralidade de cartuchos unidos entre si para formar um cartucho maior para instalação em um vaso de grande diâmetro.

[0043] Isto é indicado esquematicamente na figura 10, onde uma pluralidade de (isto é, três) cartuchos de filtro de membrana unitários 120’ são interconectados para formar um cartucho de filtro de membrana unitário

17 / 22 aumentado 150.

[0044] As Figuras 11 a 15 ilustram uma modalidade correspondente, onde uma pluralidade (isto é, cinco) de cartuchos de filtro de membrana unitários 120’ são interconectados para formar um cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 150’. Esta configuração é útil quando um grande número de unidades de filtro de membrana deve ser instalado em um vaso de pressão submarino com uma restrição de altura. Os cartuchos de filtro de membrana individuais 120’ são s em suas extremidades de fluxo de entrada de processo F (por meio de respectivos segundos coletores 101) a um primeiro coletor aumentado 122 e nas suas extremidades de fluxo de saída de retentado R (por meio de respectivos primeiros coletores 100) a um segundo coletor aumentado 121. O número de referência 125 (vide figura 13) denota um flange no segundo (superior) primeiro coletor aumentado, enquanto o número de referência 124 (vide figura 14) denota um anel-O no primeiro (inferior) coletor aumentado. Cada coletor compreende uma câmara de distribuição interna, que é bem conhecido na técnica anterior. O primeiro (inferior) coletor aumentado compreende uma guia de centralização 123, para auxiliar no alinhamento com o tubo ou vaso de pressão durante instalação (descrita a seguir).

[0045] A Figura 16 ilustra o cartucho aumentado 150’ instalado em um vaso de pressão 151. O vaso de pressão compreende duas (primeira e segunda) seções 151a,b, nas vistas mostradas nas figuras 16 e 17 referidas como seções superior e inferior, interconectadas por meio de flanges liberáveis 161a,b. O flange superior do cartucho 125 (tipicamente a extremidade de retentado) é conectado a um flange dentro da seção de topo do vaso de pressão 151a, que, por sua vez, é conectado a um bico 153 (para conexão à tubagem adicional). A vedação de anel-O 124 no primeiro (inferior) coletor aumentado 122 é configurada para conexão em um bico de perfuração 154 no fundo da seção inferior do vaso de pressão 151b. Como o

18 / 22 versado na técnica entenderá, esta conexão (tipicamente entrada do fluxo de processo) é adequada com uma vedação de anel-O já que a conexão é exposta apenas a uma pequena diferença de pressão. O número de referência 160 designa a saída de permeato. Deve-se entender que as válvulas e tubagem necessárias para operar os filtros de membrana não são ilustradas, já que tais partes e dispositivos são bem conhecidos na técnica.

[0046] Uma vantagem com todas as modalidades da invenção é que as unidades de filtro de membrana individuais 108 são conectadas para formar um cartucho de filtro de membrana unitário 120; 120’ ou um cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 150; 150’. Dessa forma, cada cartucho de filtro de membrana pode ser pré-montado (por exemplo, em um local na costa) e de forma fácil e rápida ser instalado (inserido) em seu vaso de pressão designado (por exemplo, em um local fora da costa). Uma tal método de instalação é ilustrado na figura 17, onde o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 150’ foi conectado à primeira seção do vaso de pressão 151a e está no processo de ser inserido na segunda seção do vaso de pressão 151b (guindastes e equipamento de içamento, não mostrados). Um procedimento reverso pode ser usado para remover o cartucho.

[0047] Na figura 18, o cartucho montado 150’ e a primeira seção 151a são colocados em uma orientação vertical, e a segunda seção do vaso de pressão 151b é abaixada sobre o cartucho. Nesta variante, a primeira seção 151a compreende a saída de permeato 160. A variante mostrada na figura 18 é útil em certos casos onde, para grandes conjuntos, é vantajoso que o cartucho seja montado em uma extremidade inferior do vaso de pressão. Isso permite que o conjunto seja montado em um piso de oficina e sem ter o conjunto de cartucho suspenso em um guindaste. Existem também possibilidades que todas as conexões com e a partir do vaso de pressão sejam montadas no inferior e apenas, isto permite que a carcaça do copo superior seja a única cobertura de retenção de pressão. Para módulos submarinos, isto pode ser

19 / 22 uma vantagem, reduzindo a quantidade de tubagem externa.

[0048] As Figuras 19 e 20 mostram posições alternativas para os bicos de fluxo no vaso de pressão. O número de referência 158 denota um orifício de saída de fluxo lateral (retentado), enquanto o número de referência 159 denota um orifício de entrada de fluxo lateral (fluxo de processo não filtrado). Qualquer combinação desses pode ser usada, e uma vantagem de usar tal entrada lateral para o fluxo para o cartucho é que o fluxo de saída das membranas é que o volume interno do vaso (por exemplo, permeato) pode passar através do fundo do vaso, o que permite uma autodrenagem de todo o conjunto.

[0049] As Figuras 21 a 23 ilustram ainda uma outra modalidade de um cartucho de filtro de membrana unitário, denotado 210. Aqui, seis unidades de filtro de membrana 108 são arranjadas em paralelo e conectadas a coletores comuns (ou coletores) 202, 203 por meio de respectivos tubos de fluxo. Um primeiro coletor 202 é conectado à extremidade superior (retentado) das unidades de filtro de membrana, e um segundo coletor 203 é conectado à extremidade inferior (fluxo de entrada de processo) das unidades de filtro de membrana. Um primeiro tubo de transporte 200 é conectado ao primeiro coletor 202, e é na modalidade ilustrada configurado para transportar retentado R. Um segundo tubo de transporte 201 é conectado ao segundo coletor 203, e é na modalidade ilustrada configurado para transportar fluxo de entrada de processo não filtrado F. Referindo-se adicionalmente às figuras 24 a 26, os tubos de transporte 200, 201 são interconectados (por exemplo, por meio de flanges 204) a tubos de transporte similares de cartuchos de filtro de membrana unitários correspondentes 210, para formar um cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 220, a seguir também referido como uma cadeia de cartucho 220. O processo de montagem indicado na figura 25, e uma cadeia de cartucho completada 220 compreendendo três cartuchos de filtro de membrana 210, é ilustrado na figura 26. Os tubos de transporte são

20 / 22 conectados a tubos de terminação 221a,b. Deve-se entender que uma cadeia como essa 220 pode compreender dois ou mais cartuchos de filtro de membrana 210.

[0050] A cadeia de cartucho 220, ou um único cartucho de filtro de membrana 210, pode ser inserido em um tubo 230, como ilustrado na figura

27. Também, uma cadeia de cartucho 220, ou um único cartucho de filtro de membrana 210, pode ser inserido em um vaso de pressão 231, como ilustrado na figura 28. No presente documento, um arranjo de nove vasos de pressão 231 (três por três) contém um total de 436 unidades de filtro de membrana (9 x 48). Isto é um exemplo de quantas unidades de filtro de membrana podem ser instaladas em um espaço confinado usando unidades de tubo como o vaso de retenção de pressão.

[0051] Para um ambiente submarino para equipamento de processo, é crítico que tanto o tamanho quanto o peso sejam minimizados por causa do manuseio, especialmente em condições climáticas ruins ou estados do mar agitado. Portanto, um projeto compacto que maximiza a capacidade de equipamento de processo é de prima importância.

[0052] Como uma ilustração de algumas das vantagens da invenção, comparada a outros métodos de acondicionamento de filtros de membrana, a figura 29 ilustra um arranjo convencional típico de filtro de membrana em vasos individuais interconectados por tubagem externa 251. No presente documento, um total de 160 vasos de filtro de membrana ocupam uma grande área de aproximadamente 8 x 15 metros no plano e 8 metros de altura, enquanto quatro vasos multimembranas de acordo com a invenção, tendo um número similar de unidades de filtro de membrana, ocupa apenas uma área plana de 6 x 8 metros, e 8 metros de altura. O peso total dos filtros de membrana de vaso convencionais é aproximadamente 150 toneladas, enquanto o peso total dos quatro vasos multimembranas de acordo com a invenção é aproximadamente 80 toneladas (20 toneladas cada um).

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[0053] A Figura 30 mostra ainda uma outra comparação entre a invenção e a técnica anterior. Dois vasos de pressão de filtro de membrana da técnica anterior 253 são necessários para acomodar o mesmo número de unidades de filtro de membrana como o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 150’ de acordo com a invenção. Para igualar ao mesmo número de unidades de filtro de membrana que no cartucho de filtro de membrana unitário aumentado 150’ de acordo com a invenção, dois dos vasos da técnica anterior 253 são necessários ou, alternativamente, um maior vaso que a técnica anterior 254 contendo o mesmo número de unidades de filtro de membrana pode ser usado. Entretanto, essas alternativas têm consequências importantes. Primeiramente, existe a diferença de peso, já que, em um único vaso multimembrana com dois níveis de filtros como descrito pela invenção o peso é de 20 toneladas, enquanto o peso do vaso de um único nível de membranas é 14 toneladas, mas dois são necessários para o mesmo pesando 28 toneladas. O vaso maior 254 (tendo o mesmo número de unidades de filtro de membrana) tem um peso total de 37 toneladas. Esses pesos são exemplos, e são para cada caso calculados pelo projeto de vaso de pressão da indústria padrão para uma instalação submarina (pressão interna: 100 bar, profundidade de água: 300 metros).

[0054] As observações seguintes se aplicam a todas as modalidades supradescritas: Embora a invenção tenha sido descrita em relação ao uso de separação de hidrocarbonetos por filtro de membrana em um ambiente submarino, deve-se entender que a invenção é igualmente aplicável a qualquer outra aplicação convencional normalmente referida como processo de tecnologia de membrana de ultrafiltração, tal como (mas não necessariamente limitada) separação de ar, geração de nitrogênio, remoção de dióxido de carbono, purificação de hidrogênio, filtração de combustível, limpeza de água, sulfatos.

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[0055] Embora flanges tenham sido descritos como um meio de conexão adequado, deve-se entender que outros meios de conexão podem ser igualmente aplicáveis; por exemplo, conexões rosqueadas, conexões de encaixe de pressão, conexões coladas, ou similar.

[0056] Embora a invenção tenha sido descrita e ilustrada com certos números de unidades de filtro de membrana e cartuchos de filtro de membrana, a invenção não deve ser limitada aos números ilustrados. Entretanto, um cartucho de filtro de membrana unitário compreende uma pluralidade (duas ou mais) de unidades de filtro de membrana. O conjunto de filtro tipo cartucho inventado pode ser uma parte de uma unidade de processo independente, ou ser uma parte integral de qualquer outro equipamento de processo submarino, convés superior ou em terra. Ele pode ser uma pré- unidade de processo ou um pós-unidade de processo para outro equipamento de processo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de filtro, compreendendo duas ou mais unidades de filtro de membrana (108) alongadas, cada qual tendo uma abertura de entrada para um fluxo de fluido (F) a ser processado, uma primeira abertura de saída para pelo menos uma porção (R) de retentado do dito fluxo de fluido e segundo orifício de saída para pelo menos uma porção restante (P) do dito fluxo de fluido, e as respectivas aberturas de entrada de cada unidade de filtro de membrana (108) são fluidicamente conectadas a um coletor de entrada comum (101; 203) e as respectivas primeiras aberturas de saída de cada unidade de filtro de membrana (108) são fluidicamente conectadas a um coletor de saída comum (100; 200), caracterizado pelo fato de que pelo menos uma unidade de filtro de membrana (108) é arranjada em uma primeira posição (L1) ao longo de um eixo geométrico longitudinal (x1) e pelo menos uma unidade de filtro de membrana (108) é arranjada em uma segunda posição (L2) ao longo do eixo geométrico longitudinal (x1), e as ditas duas unidades de filtro de membrana (108) são desencontradas uma em relação à outra e não são axialmente alinhadas; e uma unidade de filtro de membrana (108) é fluidicamente conectada aos coletores por meio de um primeiro conjunto de condutos (103, 105) e a outra unidade de filtro de membrana (108) é fluidicamente conectada aos coletores por meio de um segundo conjunto de condutos (102, 104).

2. Dispositivo de filtro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os coletores são estruturalmente interconectados por meios de conexão estruturais (109; 126, 127), para formar um cartucho de filtro de membrana unitário (120; 120’; 210).

3. Dispositivo de filtro de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que no primeiro conjunto de condutos, um primeiro conduto (103) é maior que o segundo conduto (105), e no segundo conjunto de condutos, um primeiro conduto (102) é menor que o segundo conduto

(104), através do qual os comprimentos totais de ambos os trajetos de fluxo são os mesmos.

4. Dispositivo de filtro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o coletor de entrada (101) e o coletor de saída (100) de uma pluralidade de cartuchos de filtro de membrana (120’; 210) são conectados a um respectivo coletor de entrada aumentado (122) e coletor de saída aumentado (121), para formar um cartucho de filtro de membrana unitário aumentado (150’; 220).

5. Dispositivo de filtro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o cartucho de filtro de membrana unitário (120; 120’; 210) e o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado (150’; 220) cada qual formam corpos unitários alongados em torno de um eixo geométrico longitudinal comum (x2).

6. Dispositivo de filtro de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o cartucho de filtro de membrana unitário (120; 120’; 210) e o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado (150’; 220) são cada configurado para ser inserido em um dispositivo de retenção de pressão tendo uma seção transversal circular, tal como um vaso de pressão (231) ou tubo (230).

7. Dispositivo de filtro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de cartuchos de filtro de membrana unitários (210) é fluidicamente e estruturalmente interconectada em um relacionamento extremidade a extremidade, para formar uma cadeia de cartucho (220).

8. Dispositivo de filtro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o cartucho de filtro de membrana unitário aumentado (150’) compreende meios de conexão (125) por meio dos quais o cartucho de filtro de membrana pode ser conectado a, e suportado por uma primeira parte do vaso de pressão (151a) como uma unidade simples.

9. Dispositivo de filtro de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão estruturais compreendem um membro de travamento (109) configurado para prover integridade estrutural e travar as unidades de filtro de membrana (108) e coletores (101, 100) entre si.

10. Dispositivo de filtro de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o membro de travamento (109) é conectado ao coletor de entrada e ao coletor de saída.

11. Unidade de filtro de membrana, caracterizada pelo fato de ter o dispositivo de filtro como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, arranjada em um vaso de pressão (151; 230; 231) e sendo fluidicamente conectada a um orifício de entrada (154) e um orifício de saída (153) do vaso de pressão; o vaso de pressão compreendendo adicionalmente uma abertura (160) através da qual fluido filtrado (P) pode passar.

12. Uso de dispositivo de filtro como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10 em um local submarino, caracterizado pelo fato de que um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários ou um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários aumentados são arranjados em um tubo ou um vaso de pressão, e um fluido de hidrocarbonetos (F) é escoado para um orifício de entrada do dispositivo e o retentado (R) é escoado para fora de um orifício de saída do dispositivo.

13. Uso de dispositivo de filtro como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é colocado em um local no fundo do mar em uma orientação vertical (substancialmente vertical) ou em uma orientação substancialmente horizontal.

14. Método para instalar uma pluralidade de unidades de filtro de membrana (108) em um vaso de pressão (151; 230; 231), caracterizado pelo fato de ter as etapas de: formar um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários (120; 120’; 210) ou um ou mais cartuchos de filtro de membrana unitários aumentados (150’; 220) como definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 10; inserir o(s) filtro(s) de cartucho de membrana unitário(s) ou o(s) filtro(s) de cartucho de membrana unitário(s) aumentado(s) em um vaso de pressão como uma unidade integral.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a etapa de inserção é precedida pela conexão do cartucho de filtro de membrana unitário (150’) a uma primeira parte do vaso de pressão (151a), por meio do que o cartucho e primeira parte do vaso de pressão podem ser manuseadas como uma unidade.