BRPI0213710B1 - “dispositivo coletor de emissões decorrentes de vazamento” - Google Patents

Abstract

"dispositivo coletor de emissão fugitiva". é provido um dispositivo coletor de emissão fugitiva para adquirir uma amostra de atmosfera em torno de um selo. o dispositivo coletor de emissão possui um elemento rígido que forma uma cavidade de baixa impedância conformada para se sobrepor a um selo. o dispositivo coletor de emissão possui um tubo condutor com uma tomada de entrada em comunicações de fluido com a cavidade de baixa impedância e uma tomada de saída que pode ser conectada a um sistema sensor químico, para analisar a amostra de atmosfera quanto a emissões vazando do selo.

Description

"DISPOSITIVO COLETOR DE EMISSÕES DECORRENTES DE VAZAMENTO’' Referência Cruzada Para Patentes US Relacionadas Este pedido é relacionado à Patente US No. 6.029,506, depositada em 12 de Novembro de 1997, intitulada “Sample Retrieval System", e Patente US No, 5.129.625, depositada em 9 de Outubro de 1990, intitulada "Live Loaded Packing System" e é cedida ao mesmo cessionário do presente pedido de patente, e as patentes acima referenciadas são aqui incorporadas por referência.

Campo da Invenção A presente invenção relaciona-se em geral a um dispositivo de preservação e coleta de emissões. Mais especificamente a presente invenção relaciona-se a um dispositivo para adquirir uma amostra precisa de emissões na atmosfera, em torno de um selo.

Fundamentos da Invenção Usinas e fábricas utilizam dispositivos de controle de processo para controlar o fluxo de fluidos nos processos. Valores atípicos de controle de processo são usadas para fabricar artigos ou bens de consumidor tais como combustível, alimentos e roupas. Mesmo uma fábrica de tamanho médio pode utilizar centenas de válvulas de controle e dúzias de bombas, A maior parte das usinas industriais utiliza compostos orgânicos voláteis (VOC) nos processos que produzem bem de consumo. Quase todas as usinas industriais experimentam emissões indesejáveis de VOC na atmosfera. As emissões frequentemente escapam de fontes não pretendidas tais como válvulas, bombas e encanamentos envolvidos no fluxo do processo. Emissões de fontes não pretendidas são frequentemente referidas como "emissões fugitivas". O material sendo controlado em um processo será referido aqui corno uni fluido, embora possa ser um gás ou meios multifásieos.

Muitos dispositivos de controle de processo possuem eixos que são girados para controlar um parâmetro de processo. Por exemplo, uma válvula de controle controla o fluxo de fluido mudando a posição de uma haste de uma válvula que move uma tomada de fluido. A haste da válvula pode deslizar para cima ou para baixo, ou pode girar para mudar a posição da tomada de fluído. A haste da válvula se move em relação a um selo. O selo evita que o fluido do processo escape para a atmosfera ou mundo externo.

Em operação, uma haste de válvula pode se moverem relação a seu selo de válvula tão frequentemente quanto duas vezes por segundo. Em casos extremos, a haste pode se mover em relação ao selo tantas quanto cinqüenta vezes por segundo. O movimento freqüente da haste da válvula e as condições de demanda de serviço tais como grandes flutuações de temperatura, processos químicos severos e partículas abrasivas próximas às superfícies de selagern aceleram a deterioração do selo da haste da válvula. Melhoramentos recentes no material de selo e retenção de selo tem aumentado muito a vida de serviço dos selos de haste da válvula; entretanto, eventualmente todos os selos de válvula se deterioram e vazam fluidos do processo no ambiente. Então, a monitoração dos selos de válvula de controle quanto a vazamentos tem se tornado uma preocupação.

Outros dispositivos de controle de processo tais corno bombas também possuem eixos rotativos. Então, é comum que um selo em torno de um eixo de bomba desenvolva um vazamento. Um outro arranjo de selagern comumente ocorrido em uma fábrica é um flange de tubulação ou um acoplamento de tubulação flexível. A vibração na tubulação, e deterioração do selo devido a envelhecimento e exposição a elementos, também cria vazamentos em um sistema de controle de processo, e correspondentemente emissões indesejáveis.

Nos últimos poucos anos, o governo dos EUA e governos estrangeiros tem se tomado sensíveis à liberação de produtos químicos e compostos indesejáveis na atmosfera. Correspondentemente, o governo dos Estados Unidos tem continuado a criar e a aplicar padrões mais rígidos para evitar a liberação de contaminantes tais como VOC no ambiente. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA (“EPA”) é a agência federal que tem a responsabilidade de criar e reforçar a nova legislação. VOC são muito predominantes nos processos industriais. Particularmente, benzeno, tolueno e 1,1,1-tricloroetano são três VOC que são comumente utilizados em fabricação. A EPA promulgou regulamentações especificando o vazamento máximo permitido destes VOC a partir de válvulas de controle e de fábricas em geral. Para satisfazer às regulamentações, um gerenciador de usina precisa criar um procedimento de auditoria de fábrica. O procedimento incluirá gravação de medições de vazamento VOC e relatório das medições à EPA.

Para satisfazer a uma das regulamentações da EPA, uma fábrica precisa determinar quantas válvula estão vazando e a quantidade de produto químico está vazando de cada válvula. Se uma auditoria determina que a quantidade de válvula com vazamento e quantidade de VOC liberada estão abaixo de um limite predeterminado, então de acordo com as regulamentações, os testes ou inspeções podem ser reduzidos na freqüência. Isto é particularmente importante para grandes facilidades que podem conter, por exemplo, 200.000 pontos de inspeção. Toma-se muito dispendioso manter uma equipe para monitorar constantemente 200.000 localizações dentro de uma usina. Então, o relatório preciso de vazamento mínimo, reduz significativamente o esforço e despesa para satisfazer as regulamentações da EPA.

Como sistemas de detecção de emissão automatizados não são facilmente disponíveis, a maior parte das fábricas está usando instrumentos portáteis e conduzindo “auditorias móveis”. Uma auditoria móvel requer visitas físicas, medições e gravação de emissões a partir de pontos de inspeção. Isto é muito ineficiente, comparado a um sistema automatizado que não requer uma visita física ao ponto de inspeção.

Em adição à ineficiência de visitar fisicamente e medir a emissão, outros problemas atormentam tal sistema. Por exemplo, em um dia ventoso, os ventos podem soprar a emissão para longe e o dispositivo de medição portátil não detectará uma emissão. Adicionalmente, o vazamento pode ser dependente da posição da haste da válvula. Uma haste usada, esburacada ou curvada pode não vazar em uma posição mas pode possuir um vazamento severo em outra posição. Um instrumento portátil obtém uma medição enquanto presente fisicamente, entretanto, um sistema automatizado pode relatar a emissão 24 horas por dia.

Instrumentos portáteis tipicamente usam uma sonda de amostragem para transportar uma pequena amostra da atmosfera, em tomo da ponta da sonda e adjacente a uma pequena área no selo, a sensores dentro do instmmento portátil. As exigências do procedimento para usar uma sonda de amostra inclui movimento da sonda em tomo de toda circunferência do selo e permanência onde o vazamento máximo é detectado. Então, a medição é feita em uma pequena porção do selo e o vazamento “global” não é medido. Adicionalmente, pode ser difícil circundar o selo com a sonda de amostra, devido a obstmções tais como a estrutura do atuador ou cobertura.

Atualmente, sistemas sensores de produto vazado automatizados não são preponderantes em sistemas de controle de processo. Há umas poucas instalações “arranjadas” ou primitivas. Estas são tipicamente colocadas em válvulas submetidas ao serviço de mais demanda. A detecção é importante porque o reparo imediato de válvulas vazando minimiza as auditorias requeridas, e reduz grandemente as despesas para conformidade com a EPA. Um benefício adicional de um sistema de relatório automatizado inclui um sistema de advertência prévia mais efetivo. O sistema automatizado pode alertar um operador de facilidade quanto a uma falha de selo iminente. Se a emissão é inflamável, tóxica ou perigosa, a detecção habilita medidas preventivas a serem tomadas antes que surja uma situação perigosa. Há duas funções básicas para qualquer sistema de detecção de emissão. Primeiramente, o sistema precisa adquirir uma amostra precisa de atmosfera por alguma espécie de sistema de aquisição e então precisa processar a amostra para detectar a concentração do produto químico alvo. É crítico que o sistema de aquisição proveja uma amostra não contaminada, uniforme e não diluída a ser analisada.

Uma instalação permanente dc um sistema de sensor de produto vazado automatizado, minimizaria as “inspeções manuais” e o uso de instrumentos portáteis, e aumentaria a precisão das medições. Entretanto, sensores de emissão instalados permanentemente também sofrem com os sistemas de aquisição de amostra imprecisos. Estes sensores de emissão instalados precisam também combater problemas de preservação de amostra que podem ocorrer como resultado de turbulência do ar. Então, é um objetivo da presente invenção prover um dispositivo para adquirir efetivamente uma amostra precisa da atmosfera adjacente a um selo, seja para um instrumento portátil ou um sistema de detecção de emissão automatizado, para habilitar um sistema de detecção químico para medir precisamente as emissões. Sumário da Invenção Consequentemente, é um objetivo desta invenção prover um dispositivo de coleta de produto vazado de baixo custo e robusto; É um outro objetivo da presente invenção prover um mecanismo de coleta altamente eficiente para adquirir uma amostra de produto vazado uniforme; É ainda um outro objetivo prover uma cavidade de baixa impedância para capturar uma amostra da atmosfera nas proximidades de um selo e fornecer a amostra a um sistema de detecção de emissão para determinar se estão presentes emissões fugitivas.

Sumario Um dispositivo coletor de produto vazado para adquirir uma amostra de atmosfera em torno de um selo, é provido. O dispositivo coletor de emissão é um elemento rígido que forma uma cavidade de baixa impedância conformada para recobrir o selo. O dispositivo coletor de emissão possui um tubo possuindo uma tomada de entrada em comunicação de fluido com a cavidade de baixa impedância e uma tomada de saída que pode ser conectada a um sistema de detecção de emissão, que é usado para analisar a atmosfera, para determinar se excesso de emissões estão vazando do selo. Na modalidade preferida, o dispositivo coletor é fabricado em duas peças, o qual basicamente consiste de uma base e uma cobertura. O tubo condutor pode ser criado formando inicial mente um recesso na superfície de cruzamento da base ou cobertura, antes que estas sejam montadas juntas. Uma amostra mais uniforme e precisa da atmosfera em torno de um selo pode ser impelida da cavidade de baixa impedância por um dispositivo coletor que possui múltiplas tomadas de entrada, igualmente espaçadas em torno e próximas ao selo.

Breve Descrição dos Desenhos As características e vantagens da presente invenção serão melhor apreciadas pela referência à seguinte descrição detalhada e desenhos que a acompanham, nos quais: Figura 1 exibe uma porção de um processo com dispositivos coletores de emissão integrados a dispositivos de controle de processo e tubulações de processo;

Figura 2 é uma vista em corte, aumentada, de um dispositivo coletor de emissão incorporado em uma válvula de controle de processo mostrada na Figura 1, dc acordo com a presente invenção;

Figura 3 exibe lima vista superior da base do dispositivo coletor de emissão mostrado na Figura 2, Descrição Detalhada A presente invenção provê um dispositivo coletor de emissão para adquirir uma amostra precisa da atmosfera em tomo de um selo, de tal modo que este pode ser testado quanto a emissões. O dispositivo coletor de emissão é parte de um sistema de detecção de emissão global que é usado para determinar as emissões de um selo com vazamento.

Selos com vazamento podem existir em uma variedade de componentes de processo, tais como uma bomba 2, uma tubulação de processamento 8, flanges de tubulação 6 e uma válvula de controle 20. De acordo com a presente invenção, dispositivos coletores de emissão (ECD) são montados a cada um dos componentes do processo onde vazamentos de emissões podem ser uma preocupação. Três exemplos são mostrados na Figura 1, onde a válvula de controle 20 é ilustrada em uma vista em corte. Um ECD de válvula 12 é colocado em tomo de uma haste 30 de uma válvula de controle 20, e fixada a uma cobertura 21. Um ECD de flange de tubulação 22 é mostrado montado ao flange de tubulação 6. O terceiro exemplo mostra um ECD de eixo de bomba 32 montado à bomba 2 de tal modo que se ajusta em tomo de um eixo de bomba 3. Um sistema de detecção química 16 é usado para puxar amostras de atmosfera dos ECD 12, 22 e 32, vias tubos de aspiração 13, 14 e 15, para determinar se níveis inaceitáveis de emissões fugitivas estão presentes. O sistema de detecção de sensor químico 16 é preferivelmente do tipo projetado para detectar concentrações extremamente pequenas de um produto químico alvo em uma amostra provida pelos ECD. Sensibilidade da ordem de 10 partes por milhão são facilmente obteníveis para um sistema de detecção química padrão. Nestas concentrações extremamente pequenas, as emissões estão geralmente na fase gasosa. Para estes tipos de sistema de detecção é comum usar um sistema de recuperação de amostra integrado para remover gás da área crítica, por sucção. Um exemplo de sistema de recuperação de amostra é descrito na Patente US No. 6.029.506 e é aqui incorporado por referência.

Referindo-se agora à Figura 2, uma vista em corte mais detalhada da área circundada 7 da Figura 1 é mostrada, para ilustrar os conceitos da presente invenção, Embora o conceito seja descrito com referência à válvula 22, deveria estar claro a uma pessoa especialista na técnica que os mesmos conceitos se aplicam com respeito ao tlange de tubulação 6, à bomba 2 ou qualquer outro dispositivo onde há uma preocupação com emissões vazando de um selo. Conforme mostrado, o ECD de válvula 12 consiste primariamente de uma base 29 e uma cobertura 28. O ECD de válvula 12 é montado à cobertura 21 e é usado para formar uma cavidade de baixa impedância 37 em torno do selo 33 e haste da válvula 30. A cavidade de baixa impedância 37 opera como uma cavidade protetora que blinda a atmosfera em torno do selo 33 da turbulência do ar ou vento que possa estar presente. Esta blindagem ou quebra vento ajuda a evitar leituras imprecisas. É importante que as emissões surjam e escapem da cavidade de baixa impedância 37 sem a interferência indevida. Então, a meta da cavidade de baixa impedância é preservar o fluxo natural de emissões da superfície selante. Para preservar este fluxo natural, deveria estar claro que a um especialista na técnica que a cavidade precisa ser projetada para evitar sobre acumulação de emissões, enquanto evitando a amostra de ser diluída pelas correntes de ar externo, antes de ser amostrada e testada quanto a emissões, Uma gaxeta 45 pode também ser usada para cobrir uma porção da cavidade de baixa impedância 37, para minimizar o efeito de condições externas que romperíam ou impactariam a atmosfera em tomo do selo. Adicional mente, a gaxeta 45 pode cobrir uma porção da cavidade de baixa impedância para facilitar um leve acúmulo de emissão na cavidade de baixa impedância 37. Em uma outra modalidade, a cobertura 28 pode ser utilizada para cobrir uma porção da cavidade de baixa impedância 37 e otimizar os efeitos de acumulação e ambientais na amostra de emissão.

Uma vista mais detalhada da base 29 é ilustrada na Figura 3. A base 29 possui um orifício vazado 59 para permitir a inserção de uma haste de válvula ou, no caso de uma bomba, de um eixo de bomba. Deveria ser verificado por um especialista na técnica que este orifício vazado 59 é dimensionado para criar a cavidade de baixa impedância, para permitir o fluxo natural de emissões quando está ajustado sobre o selo. No sentido de prover uma amostra de atmosfera mais uniforme a partir da cavidade de baixa impedância, a modalidade preferida inclui múltiplas tomadas de entrada 31 distribuídas próximas e em tomo do orifício vazado 59. Orientar as tomadas de entrada 31 para serem perpendiculares às emissões que surgem, evita que amostras indesejáveis sejam capturadas em uma “bolsa”. Um tubo condutor 42 é provido para interconectar as tomadas de entrada 31a uma tomada de saída 39. Um bocal roscado é ajustado entre a base e a cobertura, ou na cobertura ou base, para permitir a conexão da tomada de saída 39 a um tubo de aspiração.

As tomadas de entrada 31, tubo condutor 42, e tomada de saída 39 podem ser criadas de um número de maneiras. Por exemplo, recessos podem ser formados na base, na cobertura, ou em ambas, por fresagem, gravação a laser, corte por plasma, forjamento ou moldagem. No sentido de prover uma amostra de atmosfera uniforme em tomo do selo, é preferido que as tomadas de entrada sejam projetadas para ter o mesmo diâmetro de orifício quando a cobertura e a base estão coincidentes para formar o tubo condutor 42. É também preferido que o tubo condutor possua uma área de seção transversal total que seja maior que a área de seção transversal cumulativa de cada tomada de entrada. A finalidade deste projeto é prover uma queda de pressão igual através de cada tomada de entrada 31, durante a coleta de amostra por um sistema de detecção químico. Uma queda de pressão igual proverá fluxo igual da amostra a partir da cavidade de baixa impedância inteira e então proverá uma amostra uniforme para análise de emissão. O precedente foi uma descrição detalhada de modalidades preferidas desta invenção. Várias modificações e adições podem ser feitas sem se afastar do espírito e escopo desta invenção.

Conseqüentemente, esta descrição é destinada a ser considerada somente a título de exemplo e não, em caso contrário, limitando o escopo da invenção. Por exemplo, o dispositivo coletor de emissão pode também ser integrado com características adicionais, para prover funcionalidade adicional. Por exemplo, o ECD de válvula pode atuar como um elemento retentor para conjuntos de válvulas, conforme ilustrado na Figura 2, ou como uma parte integrante de um flange. Outros aspectos, objetivos e vantagens da presente invenção podem ser obtidos por um estudo dos desenhos, da descrição e das reivindicações anexas.

REIVINDICAÇÕES

Claims (10)

1. Dispositivo coletor de produto vazado {12, 22, 32) para adquirir uma amostra na atmosfera em tomo de um selo (33) de um componente de processo (20, 6, 2), o dispositivo coletor de produto vazado compreendendo: um elemento rígido dimensionado para formar uma cavidade de baixa impedância (37) que se sobrepõe ao selo (33) do componente de processo para capturar atmosfera próxima ao selo, o elemento rígido (28, 29) possuindo um tubo condutor (42) com uma ou mais entradas (31) que está em comunicação de fluido com a cavidade de baixa impedância (37) e uma saída (39) para comunicação de fluido com um sistema detector de emissão (16) que pode analisar a atmosfera para detectar emissões vazando do selo, caracterizado pelo fato de que o elemento rígido compreende: uma base (29) possuindo um orifício vazado (59), uma superfície coincidente, e recessos formados ao longo da superfície coincidente, os recessos definindo o tubo condutor (42), e o orifício vazado (59) definindo a cavidade de baixa impedância (37); e uma cobertura (28) para fixação à superfície coincidente da base (29), para criar o tubo condutor (42), em que uma dentre a cobertura (28) ou uma gaxeta (45) para selar a superfície coincidente cobre uma porção da cavidade de baixa impedância (37).

2. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação I, caracterizado pelo fato de que o elemento rígido fixa um conjunto de selagem de haste de válvula a um corpo de válvula.

3. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita base (29) tem uma pluralidade de entradas (31) espaçadas substancialmente equidistantes em torno de uni perímetro interno do orifício vazado (59), a pluralidade de entradas para comunicação de fluido com a atmosfera em tomo do selo na cavidade de baixa impedância (33).

4. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a gaxeta para selar a superfície coincidente.

5. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a gaxeta (45) ser para otimizar a impedância da cavidade de baixa impedância (33), restringindo o fluxo de ar para e a partir da cavidade de baixa impedância.

6. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o citado tubo condutor (42) possui uma porção substancialmente circular e tem alimentações radiais acoplando as entradas (31) à porção substancialmente circular.

7. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a gaxeta (45) otimiza as capacidades de proteção contra vento e acumulação de produto vazado, criando uma impedância ao fluxo de ar e fluxo de emissão.

8. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada uma de ditas entradas (31) possui áreas transversais iguais.

9. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as entradas (31) e o tubo condutor (42) são dimensionados de tal modo que uma amostra uniforme da atmosfera em tomo de um selo pode ser extraída por um sistema de detecção química.

10. Dispositivo coletor de produto vazado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cobertura (28) otimiza as capacidades de proteção contra vento e acumulação de produto vazado, criando impedância ao fluxo de ar e fluxo de emissão.