BR202020017289U2 - Dispositivo de separação de componentes gasosos através de um bocal convergente-divergente supersônico com área variável - Google Patents

Abstract

dispositivo de separação de componentes gasosos através de um bocal convergente-divergente supersônico com área variável o presente modelo de utilidade apresenta uma configuração construtiva específica em um dispositivo de separação de componentes gasosos que viabiliza a separação supersônica de misturas de gases ajustada às variações de composição, pressão e temperatura que porventura ocorram nas condições de operação. o dispositivo consiste em uma carcaça exterior (001), um mecanismo de sincronização (002), um corpo central (003), um sistema de pás (004), uma zona de mudança de fase (005), um coletor da fase líquida e/ou sólida (006), um flange de descarga da fase líquida e/ou sólida (007), mancais de suporte (008) e uma região de recuperação da pressão (009), sendo que o mecanismo de sincronização (002) do corpo central (003) compreende um servo motor de alto torque (002-1), acoplamento magnético externo (002-2), acoplamento magnético interno (002-3), vedação estática (002-4), carcaça de proteção (002-5), eixo de saída (002-6), e rolamento para cargas axiais e radiais (002-7).

Description

DISPOSITIVO DE SEPARAÇÃO DE COMPONENTES GASOSOS ATRAVÉS DE UM BOCAL CONVERGENTE-DIVERGENTE SUPERSÔNICO COM ÁREA VARIÁVEL Campo do Modelo de Utilidade:

[001] O presente Modelo de Utilidade encontra seu campo de aplicação nos processos em que se deseja separar um ou mais componentes de uma mistura de gases. A separação dos componentes do gás é feita através de um bocal convergente-divergente supersônico, em que na expansão do gás (parte divergente do bocal) um ou mais componentes passam por uma mudança de fase formando gotículas no estado líquido ou pequenas partículas no estado sólido. O maior peso específico das respectivas gotículas ou partículas, através da aplicação de centrifugação, possibilita que os componentes associados (parcelas líquida ou sólida) sejam separados do restante do gás.

Fundamentos do Modelo de Utilidade:

[002] Para sistemas de geração de energia que produzem gases de efeito estufa, novas tecnologias têm sido desenvolvidas com objetivo de atender as restrições ambientais cada vez mais severas, dentre as quais destacam-se as tecnologias desenvolvidas para o abatimento das emissões de CO2. Como exemplo da aplicação dessa tecnologia, tem-se a redução do conteúdo de CO2 em diversos reservatórios de petróleo que apresentam altas frações de CO2, que podem chegar a ser maiores do que 10% e não podem ser ventilados ao meio ambiente, sendo que uma parcela da fase gasosa é tratada para reduzir o teor de CO2 para níveis que permitam o seu transporte até as unidades de processamento e tratamento de gás natural, UPGN's.

[003] O alto teor de CO2 presente no gás, torna inviável em alguns casos, o seu transporte para terra através de gasodutos, devido a problemas de corrosão nos respectivos dutos. Desta forma, se faz necessário o desenvolvimento de dispositivos compactos que possam ser instalados offshore, de forma a separar o CO2 do gás natural.

[004] O restante do gás com CO2 que não pode ser tratado, é usualmente reinjetado no reservatório de petróleo, para aumento da taxa de recuperação EOR [Enhanced Oil Recovery] no processo, denominado de WAG [Water alternating Gas], injeção de água alternada com gás.

[005] Devido ao processo de EOR, o teor de CO2 no reservatório aumenta com o tempo, podendo atingir limites não tratáveis nos módulos de separação existentes nas plataformas, impedindo a continuidade de produção de alguns poços ou mesmo de todo o reservatório do bloco. E, por causa das altas quantidades de CO2 presentes no gás natural, unidades de processamento de separação tradicionais demandam grande espaço de instalação, restringindo sua aplicação em unidades offshore.

[006] Neste contexto, novas soluções que possibilitem separar o CO2 do gás natural através de um dispositivo compacto instalado offshore têm sido propostas.

[007] Diante do cenário descrito, uma das soluções tecnológicas que têm sido desenvolvidas são aquelas voltadas para o fato da separação, de um ou mais componentes do gás, ser feita por meio de um bocal convergente-divergente. O gás é acelerado através do bocal, até atingir velocidade supersônica na região divergente do bocal. A aceleração do gás à velocidade supersônica resulta na diminuição da sua temperatura e pressão, e o bocal convergente-divergente é projetado para que o ponto de condensação e/ou de solidificação de um ou mais componentes do gás seja atingido. As fases líquida ou sólida formadas ao longo da região divergente do bocal, permitem que um ou mais componentes condensados ou sólidos possam ser separados do restante do gás. Esse mecanismo é denominado de separação por condensação e tem a vantagem de fazer uso de um bocal convergente-divergente cuja geometria é compacta e sem partes móveis.

[008] O dispositivo poderá ser instalado ao sistema de dutos da plataforma off-shore ou diretamente no leito marinho fazendo uso da própria pressão elevada do sistema, assim como adaptado aos espaços internos e conexões já disponíveis no sistema de tratamento e transporte de gases. Trata-se de um dispositivo compacto e sem partes móveis, pelo menos no que tange o mecanismo de separação dos componentes do gás (exceto pelo mecanismo de ajuste da relação de áreas), e, portanto, é de baixa manutenção. O dispositivo pode ser dimensionado, tanto quanto se queira, para ser diretamente instalado em qualquer sistema de dutos disponível de tratamento, transporte e separação de gases.

[009] Além do uso do dispositivo em processos de tratamento de gás natural, o conceito do dispositivo permite a separação de misturas de gases, podendo ser aplicado, por exemplo, em processos de separação de biogás ou acoplado com geração renovável de combustíveis onde o conteúdo de CO2 deva ser reduzido.

[010] Concomitante ao processo de condensação ou solidificação de um ou mais componentes do gás, um segundo processo deve ser aplicado para separar a parcela líquida formada ou sólida do restante do gás. Um dos meios utilizados ocorre pela aplicação de uma aceleração centrífuga, de forma a levar (efeito inercial) a parcela líquida ou sólida (com maior peso específico) para uma determinada região onde possa ser devidamente coletada e separada do gás.

[011] Nesse sentido, o presente modelo de utilidade propõe um dispositivo compacto, baseado em um bocal supersônico, conforme descrito anteriormente, e que opere eficientemente na separação de um ou mais componentes, mesmo que as condições de entrada do gás (composição, vazão, pressão e temperatura) variem durante as condições de operação.

Estado da Técnica

[012] No estado da técnica existem alguns documentos que descrevem dispositivos que fazem uso de um bocal convergente-divergente supersônico com o objetivo de separar um ou mais componentes por condensação e centrifugação.

[013] No documento de Patente No. 3,528,216 (Garret, 1970) é proposto um dispositivo que permite separar componentes de um gás através de um bocal supersônico. A região divergente do bocal (seção transversal retangular) é construída com uma determinada curvatura ao longo da direção axial de forma a gerar uma força centrífuga, que é dependente do seu raio de curvatura. Na região divergente do bocal, o gás sofre expansão até formar gotas no estado líquido associadas à condensação de um ou mais componentes. A força centrífuga faz com que as gotas líquidas sejam levadas e aglutinadas em uma região, onde uma parede permeável permite a passagem da componente líquida para um coletor instalado externamente ao bocal. Dependendo do raio de curvatura, ondas de choque na seção divergente podem ocorrer limitando a força centrífuga aplicada no bocal. Segundo o documento patente US 8,696,793 (Alferov et al, 2014), o dispositivo separador proposto é pouco eficiente em relação a outras propostas divulgadas mais recentemente.

[014] No documento US 2003/0145724 A1 (Betting et al 2003), um dispositivo separador supersônico foi proposto, também conhecido como primeiro Twister B.V. (também divulgado na referência SPE 87262 Okimoto et al, 2000). Trata-se de um bocal convergente-divergente supersônico de seção transversal circular. Na região divergente do bocal, já com um ou mais componentes do gás em processo de condensação, uma cunha em forma de asa posicionada na seção divergente do bocal induz um movimento rotativo ao escoamento. Associado ao movimento rotativo, o escoamento é submetido a uma força centrífuga que leva a parcela líquida do gás em direção à parede do bocal, onde uma abertura conectada à parede permite que a parcela líquida seja devidamente coletada e armazenada em um reservatório externo. Segundo o documento US 2012/0180668 A1 (Borissov et al 2012), o primeiro separador Twister apresenta diversos problemas operacionais. A parcela líquida do gás, carregada a uma velocidade supersônica, choca-se com o dispositivo gerador de centrifugação causando erosão em sua superfície, o que reduz a efetividade do dispositivo de formar o movimento rotativo. Além disso, devido à presença do dispositivo gerador de centrifugação na região divergente do bocal, uma onda de choque é formada, o que gera uma perda de carga adicional, assim como vaporiza parte de uma ou mais componentes condensadas do gás. Desta forma, a eficiência do dispositivo separador Twister é baixa tanto em termos de perda de carga quanto em termos da capacidade de separação da parcela líquida do gás. A perda de pressão é elevada da ordem de 30%, segundo o documento 2012/0180668 A1 (Borissov et al 2012).

[015] Um outro dispositivo separador supersônico é proposto segundo o documento US 6,372,019 B1 (Alferov et al 2002). O dispositivo é conhecido como separador supersônico 3S. Trata-se de um bocal supersônico convergente-divergente em que na região divergente um ou mais componentes do gás condensa formando uma fase líquida. Em comparação ao separador Twister (documento US 2003/0145724 A1), a força centrífuga é gerada por meio de aletas posicionais no início da região convergente do bocal, trecho com velocidade subsônica, o que evita o problema do separador Twister, em que uma onda de choque é formada devido ao dispositivo gerador de centrifugação estar posicionado na região divergente do bocal. Além disso, segundo o documento US 2012/0180668 A1 (Borissov et al, 2012), na região divergente do bocal do separador 3S, onde a velocidade é supersônica, vórtices são formados ao longo da região central do bocal. Esses vórtices fazem com que as velocidades do gás na região sejam reduzidas até formar ondas de choques. Esse fenômeno restringe a aceleração centrífuga que pode ser imposta pelo dispositivo gerador de centrifugação e aumenta a perda de carga, o que reduz a eficiência do dispositivo.

[016] Uma modificação do dispositivo denominado Twister é proposta no documento US 8,226,743 B2 (Betting et al, 2012). O dispositivo é denominado de separador Twister avançado, segundo o documento US 2012/0180668 A1 (Borissov et al, 2012). Para este dispositivo separador, o gerador de centrifugação é posicionado no início da região convergente do bocal, na qual a velocidade é subsônica, o que evita o problema relatado do separador Twister (US 2003/0145724 A1, Betting et al 2003) com o dispositivo posicionado na região divergente. Além disso, a geometria do bocal é modificada com a presença de um corpo interno axissimétrico, o que também evita a formação de vórtices na seção divergente do bocal, conforme descrito para o caso de separador 3S (US 6,372,019 B1, Alferov et al 2002).

[017] No documento US 8, 696, 793 B2 (Alferov et al, 2014), uma modificação do dispositivo separador supersônico 3S é proposta. A modificação se deve à instalação de um segundo bocal axissimétrico no interior do bocal no início da região convergente subsônica. Este segundo bocal interno, com uma seção convergente, gera um jato que sai em alta velocidade na região central do bocal. O jato, que sai do segundo bocal no interior do dispositivo, tem como objetivo minimizar os efeitos na formação de vórtices na região divergente que podem gerar ondas de choques. Esse segundo bocal faz com que a eficiência de separação da parcela líquida seja maior, porém gera uma perda de carga adicional do separador devido à energia gasta para criar o jato na região central. Além disso, um difusor é posicionado na saída do bocal convergente-divergente de forma a aumentar a eficiência do separador tanto do ponto de vista da separação da fase líquida do gás quanto da perda de carga.

[018] Um separador com um bocal anular é proposto segundo documento de patente 60/595,001, (Borissov et al, 2005). O dispositivo é denominado de SUSTOR-I. Trata-se de um dispositivo no qual o gás entra tangencialmente em uma câmara através de um sistema de dutos. A partir dessa câmara, o gás flui através de aletas que induzem um movimento rotativo sendo conduzido para um bocal convergente-divergente com seção anular devido à presença de um corpo central. Ao longo da passagem, o gás atinge velocidades supersônicas passando por um processo de expansão até ocorrer a condensação ou liquefação de um ou mais componentes do gás. Pequenos orifícios na parede externa do bocal permitem coletar e separar a fase líquida do gás. Finalmente, mais a jusante, um difusor é utilizado para converter a energia cinética de movimento do gás em pressão. Segundo Altam et al, 2017 (MATEC Web of Conferences 131, 03066), o dispositivo separador SUSTOR-I apresenta elevada perda de carga e a geometria é bastante complexa em comparação aos dispositivos Twister e 3S.

[019] No documento US 8,790,455 B2 (Borissov et al, 2014) é apresentado um dispositivo separador supersônico denominado SUSTOR-II. Trata-se de um dispositivo com dois discos circulares, um de entrada e outro de saída do gás, que estão separados por uma câmara que forma um bocal convergente-divergente entre os dois discos. Ao longo da passagem pelo primeiro disco de entrada, o gás é acelerado através de um movimento rotativo. Em seguida, o gás entra em uma câmara intermediária na forma de um bocal convergente-divergente que acelera ainda mais o gás até velocidades supersônicas. Através do bocal, o gás passa por um processo de expansão fazendo cair a temperatura até a condensação de um ou mais componentes do gás. O movimento rotativo induzido ao gás pelo disco de entrada leva a componente condensada ou líquida em direção às paredes do bocal. Pequenos orifícios posicionados na região divergente do bocal permitem a coleta e separação da parcela líquida formada do gás. A jusante do bocal intermediário, o gás restante entra em um segundo disco, difusor, que permite converter eficientemente a energia cinética em pressão. Segundo o documento US 8,790,455 B2 (Borissov et al, 2014), o dispositivo separador SUSTOR-II apresenta perdas de carga menores que o antecessor SUSTOR-I. No entanto, em comparação ao dispositivo separador Twister ou 3S, trata-se também de uma configuração complexa e ineficiente para separar grandes volumes.

[020] Conforme descrito, nenhum outro documento do estado da técnica descreve algum dispositivo que permita separar grandes volumes (ou frações molares) de misturas do gás natural, com um sistema de controle autônomo auto ajustável às variações de composição, pressão e temperatura do gás natural nas condições de operação. Como aplicação, o dispositivo pode ser utilizado no tratamento e separação de CO2 do gás natural oriundo de cavernas de sal ou tanques naturais sob alta pressão, ou qualquer tipo de mistura de gases na qual haja uma fração condensável na sua composição passível de separação, podendo ser água, etano, dióxido de carbono, etc. Permitindo sua aplicação em vários mercados como off-shore, produção de combustíveis renováveis ou na indústria química geral.

Sumário do Modelo de Utilidade =

[021] O presente modelo de utilidade se refere a um bocal convergente-divergente supersônico que permite separar determinados componentes de uma mistura de gases por intermédio de um processo de condensação e/ou solidificação de um ou mais componentes (separador supersônico). O processo de condensação e/ou solidificação ocorre pela diminuição da pressão e temperatura do gás devido à aceleração que o gás é submetido na seção divergente do bocal onde velocidades supersônicas são atingidas. Devido à maior massa específica dos componentes condensados ou sólidos, em relação ao restante do gás, a aplicação de uma força centrífuga conduz a parcela condensada ou sólida para as paredes laterais do bocal, onde um coletor externo permite separar a fase líquida ou sólida formada do restante do gás. A condição termodinâmica da mistura de gases na seção divergente, que permite a condensação e/ou solidificação de um ou mais componentes, é regida pela relação de áreas entre a seção do bocal divergente e a área da garganta. No presente modelo de utilidade é proposto que a relação de áreas seja ajustável de forma a permitir a alteração do número de Mach na região de mudança de fase no separador, possibilitando assim regular as condições termodinâmicas que determinam a ocorrência da mudança de fase.

Breve descrição das figuras

[022] A FIGURA 1 mostra uma vista isométrica do dispositivo separador supersônico apresentando todos os seus principais componentes: carcaça exterior (001), mecanismo de sincronização (002), corpo central (003), sistema de pás (004), zona de mudança de fase (005), sistema coletor da fase líquida e/ou sólida (006), flange de descarga da fase líquida e/ou sólida (007), mancais de suporte (008) e região de recuperação da pressão (009) .

[023] A FIGURA 2 mostra o mecanismo de sincronização (002), que permite o deslocamento do corpo central, composto das seguintes partes: Servo motor de alto torque (002-1), acoplamento magnético externo (002-2), acoplamento magnético interno (002-3), vedação estática (002-4), carcaça de proteção (002-5), eixo de saída (002-6), rolamento para cargas axiais e radiais (002-7).

[024] A FIGURA 3 apresenta uma vista lateral em corte do dispositivo separador e os diferentes componentes.

[025] A FIGURA 4 exibe os efeitos do deslocamento axial do corpo central na geometria do canal, mostrando a redução da área da garganta e o aumento da razão de áreas que determina uma maior redução da temperatura, influenciando, por sua vez, no processo de condensação e/ou solidificação e separação de componentes do gás.

[026] A FIGURA 5 mostra uma representação, em diagrama de blocos, do mecanismo de controle do deslocamento axial do corpo central, onde as variáveis de controle são a pressão, temperatura e a composição do gás na entrada e saída do dispositivo. O mecanismo de controle permite ajustar a posição do corpo central, em função de um funcionamento otimizado de acordo com as condições de operação.

[027] A FIGURA 6 mostra uma representação das condições limites para as condições de estagnação do separador supersônico considerando um diagrama de fase em coordenadas de pressão e temperatura para uma mistura de gases reais. No entanto, para generalizar o uso do modelo de utilidade para qualquer mistura de gases, é apropriado deixar o diagrama em termos adimensionais, sendo as propriedades reduzidas (Pr= P/Pc, Tr= T/Tc) as mais apropriadas, pois considera-se a pressão e a temperatura crítica da mistura. Na FIGURA 6 é indicado também o ponto crítico da mistura, sendo estabelecido como o último ponto teórico para a existência da curva de equilíbrio vapor-líquido.

Descrição detalhada do modelo de utilidade:

[028] Conforme FIGURA 1, o dispositivo proposto baseia-se no uso de um bocal supersônico convergente-divergente (001), com um corpo central, (003), o qual pode-se deslocar axialmente em função das condições de operação, mudando assim a área da garganta e/ou a relação de áreas, de forma a permitir um processo de condensação e/ou solidificação com formação de uma fase líquida ou sólida distinta em relação ao restante do gás, (005).

[029] A carcaça exterior (001) é a peça que outorga a rigidez estrutural do dispositivo que por sua vez deve resistir às pressões internas (até 50 MPa) e que em casos de operação submarina, resistir também às pressões da coluna de água. Além disso, a superfície interna do equipamento deve resistir ao efeito combinado da corrosão e da abrasão, em vista do contato ou colisão das partículas liquidas e/ou sólidas às paredes ou superfícies internas do dispositivo. Podem ser usados qualquer material que atenda ou resista às condições descritas dentro do tempo de uso estabelecido, tais como aços do tipo super duplex (por exemplo, o 25Cr) em conjunto com revestimento superficial.

[030] Conforme as FIGURAS 1 e 2, o mecanismo de sincronização (002) é o encarregado de deslocar o corpo central na direção axial. No entanto, devido à operação em altas pressões, para evitar o risco de explosão, as instalações elétricas devem estar completamente isoladas do gás do interior do dispositivo. Para este fim, será usado um acoplamento magnético (002-2) e (002-3), para transmitir o movimento rotacional entre a parte de baixa pressão e alta pressão. Na região de alta pressão do conjunto é necessária a elaboração de furos de equilíbrio, que evitem a compressão de fluido no interior do dispositivo.

[031] O servo motor (002-1), é utilizado para movimentar o corpo central do dispositivo. O servo motor é composto de um motor e de um transdutor rotativo. O transdutor é utilizado para determinar o ângulo de giro do motor e sua velocidade. Além disso, é necessário que o motor tenha um torque considerável (como por exemplo, 150 N-m) para deslocar o corpo central no interior do dispositivo.

[032] A transmissão do movimento da parte de baixa pressão para a região de alta pressão é feita mediante o uso do acoplamento externo (002-2) e interno (002-3), que usando campos magnéticos gerados por ímãs permanentes, transferem o par motor, atravessando a carcaça de proteção, e garantindo assim a transmissão do movimento sem riscos de vazamento. A vedação estática é feita mediante o uso de um anel O-ring (002-5), garantindo assim a completa vedação do conjunto.

[033] A região de baixa pressão será preenchida de um gás inerte (Argônio ou Nitrogênio), permitindo isolar o sistema por completo, e caso houver vazamentos, esses poderão ser detectados na câmara do motor, mediante a medição da variação na composição e na pressão e assim permitir cortar o fornecimento de energia elétrica, em caso de risco para a operação do dispositivo.

[034] O acoplamento magnético interno (002-3), além de permitir a transmissão do par desde o motor, também converte o movimento rotacional em movimento axial, em conjunto com o eixo de saída (002-6), usando o mecanismo porca-parafuso, presente na rosca interna usinada na peça (002-3) e a rosca externa usinada no eixo de saída (002-6). Esse mecanismo tem dois graus de liberdade, permitindo assim que ao girar a rosca interna, ocorra o deslocamento axial na peça (002-6). Devido à restrição física do mecanismo porca-parafuso, o movimento do eixo é completamente restringido ao movimento do servo motor, evitando assim qualquer risco de deslocamento axial indesejado, causado principalmente pelo empuxo axial presente no corpo central (003).

[035] A carcaça de proteção (002-5), é utilizada para vedar o acoplamento, além disso essa peça também suporta o rolamento de cargas axiais e radiais (002-7). Este rolamento é fixado axialmente na carcaça de proteção com um anel de retenção Seeger, e a pista interna do rolamento é posicionada na superfície exterior da parte (002-3) mediante o uso de um anel roscado. O rolamento precisa ser feito de qualquer material que não permita a formação de faísca ou pontos quentes no interior do dispositivo, portanto, pode ser usado como exemplo, rolamentos fabricados em bronze com lubrificantes sólidos (PTFE) inseridos na peça.

[036] Conforme mostrado na FIGURA 1, os mancais, (008), asseguram o deslocamento axial do corpo central e suportam as cargas radiais geradas pelo escoamento, têm em sua superfície interior dois rasgos de chaveta espaçados 180 grados, que impedem a rotação do corpo central.

[037] É usado um sistema de pás, (004), para induzir um movimento rotativo ao escoamento, cuja força centrífuga, por efeito inercial, leva as partículas condensadas e/ou solidificadas às paredes mais externas no interior do bocal, onde um coletor permite separar a fase líquida, (006), até sua saída, (007).

[038] De acordo com a FIGURA 5, o ajuste da posição do corpo central no interior do bocal requer um sistema de controle robusto que permita operar de forma eficiente de acordo com as diferentes composições do gás, assim como pressão e temperatura, conforme as condições de operação. Quando instalado na planta, variáveis específicas do gás na entrada e saída do dispositivo separador como (P, T, Xi, Xj) serão medidas e analisadas de forma que o sistema de controle possa ser auto-ajustado e assim operar nas condições ótimas de operação.

[039] Junto ao processo de mudança de fase e de separação do condensado ou da fase sólida, é necessário ter um sistema robusto de recuperação da pressão (009), otimizado para o funcionamento considerando todas as relações de áreas possíveis no separador, diminuindo assim os custos de operação do usuário final.

[040] Essa técnica permite que o dispositivo seja compacto e sem partes móveis, além do fato de ser capaz de realizar a separação de um ou mais componentes nas condições em que suas respectivas frações molares sejam elevadas, por exemplo, frações maiores do que 10%. Por outro lado, durante as operações de separação de um ou mais componentes do gás, o teor ou fração molar dos respectivos componentes na entrada no bocal, assim como a vazão mássica, pressão ou temperatura do gás, podem variar significativamente. Tal variação das condições de entrada do gás, pode afetar a eficiência de separação ou até mesmo interromper o processo de separação. Desta forma, propõe-se um dispositivo compacto, que permita separar um ou mais componentes do gás, mesmo com frações molares elevadas, porém mantendo a eficiência de separação independentemente da variação do teor ou fração molar dos respectivos componentes e das condições de entrada do gás, tais como vazão mássica, pressão e temperatura.

[041] Quando a fração molar dos componentes, que se deseja separar, apresenta elevada variação durante as condições de operação, o dispositivo separador perde eficiência na capacidade de separação, pois a relação de áreas é fixada e projetada para uma determinada proporção entre os componentes do gás. O presente modelo de utilidade propõe que a relação de áreas seja ajustável, permitindo a alteração do número de Mach na região de mudança de fase no separador, possibilitando assim regular as condições termodinâmicas que determinam a ocorrência da mudança de fase.

[042] À medida que a proporção entre os componentes do gás varia durante as condições de operação, e com o objetivo de aumentar a eficiência de separação em comparação a um dispositivo com relação de áreas fixas, um corpo central axissimétrico é instalado no interior do bocal convergente-divergente e um dispositivo mecânico é acoplado a esse corpo central possibilitando a sua movimentação no sentido axial. De acordo com a FIGURA 4, a movimentação do corpo central permite modificar a relação de áreas entre a garganta e as seções a jusante de forma a ajustá-la às variações dos teores dos componentes a separar que compõem o gás. A modificação da relação de áreas permite que a redução da pressão e temperatura, associada à aceleração do gás a velocidade supersônica, seja ajustada de acordo com a variação dos teores dos componentes ao longo das condições de operação. O ajuste da relação de áreas deve ser feito de forma que a condensação e/ou solidificação e subsequente formação da fase líquida ou sólida dos componentes a separar, ocorra de forma adequada e eficiente. Ou seja, para que a separação de um ou mais componentes do gás seja feita com a taxa necessária, mitigando as perdas de cargas, e sem interrupções durante o processo de coleta e separação do gás.

[043] Durante a operação de separação de um ou mais componentes do gás, as condições de entrada do gás, tais como sua composição (fração molar), vazão mássica, temperatura ou pressão, podem sofrer variação significativa. Dependendo da variação das condições de entrada, a eficiência do dispositivo de separação pode ser significativamente comprometida, ou até mesmo inviabilizando o processo de separação.

[044] O limite das condições de estagnação para o uso do dispositivo está condicionado à localização do ponto crítico como ilustrado na FIGURA 6. Sendo que, a partir desse ponto começa a primeira linha de expansão isentrópica. Essa linha representa o limite de operação do separador, sendo que qualquer ponto de operação localizado à esquerda dessa linha não atingira a saturação, impedindo a formação de uma fase liquida e gasosa.

[045] Em teoria, o dispositivo pode ser utilizado para separação nas condições de qualquer ponto de estagnação, limitado à região de aplicação como indicado na FIGURA 6. No entanto, a aplicação está limitada ao número de Mach máximo, atingido na região de expansão do dispositivo, que não pode ultrapassar o valor de 5, já que para números de Mach mais elevados, o princípio de operação do dispositivo é alterado para uma condição de escoamento hipersônico, estando fora do escopo do modelo de utilidade.

[046] As razões de áreas necessárias para a operação do separador estarão condicionadas às propriedades termodinâmicas da mistura e ao número de Mach necessário para a mudança de fase, considerando também as condições limites de operação, conforme determinado pelo projeto exclusivo de cada separador, porém, não excedendo o envelope de operação indicado da FIGURA 6.

[047] Para garantir um controle otimizado no processo de ajuste do deslocamento do corpo central, será usado um sistema de controle autônomo auto ajustável baseado nas variáveis de controle medidas tanto na entrada quanto na saída do dispositivo separador como pressão, temperatura e composição do gás. Com as variáveis de controle medidas, o sistema de controle será capaz de otimizar a posição do corpo central maximizando a taxa de separação do gás com a menor perda de pressão possível ao longo do bocal.

Claims (2)

1. Dispositivo de separação de componentes gasosos através de um bocal convergente-divergente supersônico caracterizado pelo fato de compreender:
   uma carcaça exterior (001), um mecanismo de sincronização (002), um corpo central (003),
   em que o corpo central pode se deslocar axialmente em função da pressão, composição, temperatura e/ou fração molar de uma mistura de gases, variando a relação das áreas entre a garganta e a seção divergente do bocal,
   um sistema de pás (004), uma zona de mudança de fase (005), um coletor da fase líquida e/ou sólida (006), um flange de descarga da fase líquida e/ou sólida (007), mancais de suporte (008) e uma região de recuperação da pressão (009),
   em que o mecanismo de sincronização (002) do corpo central (003) compreende um servo motor de alto torque (0021), acoplamento magnético externo (002-2), acoplamento magnético interno (002-3), vedação estática (002-4), carcaça de proteção (002-5), eixo de saída (002-6), e rolamento para cargas axiais e radiais (002-7).
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a posição axial do corpo central (003) ser determinada também por meio de um controle autônomo auto ajustável, sendo a aplicação limitada ao número de Mach máximo, não ultrapassando o valor de 5.

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