BRPI0516859B1 - misturador de injeção de multi fluidos e montagem compreendendo um misturador de injeção de multi fluidos. - Google Patents

Abstract

misturador e montagem. misturador de injeção de multi fluidos, para injetar gás e/ou líquido como fluido de mistura para gás e/ou líquido escoando através de um tubo, e homogeneamente misturar os fluidos de mistura e os fluidos de tubo, dito misturador de injeção constituindo uma seção do tubo, distinguida pelo fato de que o misturador de injeção compreende: pelo menos um elemento de contato, tendo pelo menos uma superfície de contato voltada para o e defletindo parte do fluxo de fluido, formando uma constrição na seção transversal interna do tubo, de modo que o fluxo de fluido do tubo é acelerado e o fluido escoando nas vizinhanças de dita superfície é defletido para escoar ao longo da superfície, até a extremidade da superfície sobre uma borda afiada no ponto de máxima constrição e velocidade do fluxo, pelo menos um elemento de injeção disposto com uma conexão de fluido com dita superfície do elemento de contato, de modo que o fluido de mistura pode ser injetado em dita superfície e ao longo de dita superfície ser arrastado pelo fluido de tubo escoando sobre a borda afiada, porém para um elemento de contato formado como uma seção de tubo contraindo-se sendo fornecidos pelo menos dois elementos de injeção.

Description

“MISTURADOR DE INJEÇÃO DE MULTI FLUIDOS E MONTAGEM COMPREENDENDO UM MISTURADOR DE INJEÇÃO DE MULTI FLUIDOS” A presente invenção refere-se a injeção em, mistura e condicionamento de fluidos escoando através de uma tubulação. Mais particularmente, a invenção refere-se a um misturador de injeção de multi fluidos, um misturador e uma montagem incluindo o misturador de injeção de multi fluídos, exequível para um grande número de operações de mistura, injeção e condicionamento, particularmente relacionadas a processamento de hidrocarbonetos e a processos de reator em linha, para a produção dos produtos químicos finos.

Fundamentos Da Invenção E Arte Anterior O processamento de fluidos é um grande campo técnico, encontrando aplicações na maior parte das indústrias. O processamento de fluidos escoando em uma tubulação tipicamente envolve separação de fase do conteúdo do fluido e suprimento dos constituintes separados cm uma qualidade especificada, de acordo com o subseqüente uso. Por exemplo, a corrente de um poço de hidrocarbonetos é separada em óleo, gás e água, as fases sendo processadas e limpadas quanto a contaminantes, até ser satisfeita uma especificação. O processamento tipicamente envolve injeção de fluidos tais como produtos químicos, solventes ou fluidos de extração, pra aumentar o efeito do equipamento de separação e processamento.

Os fluidos mais comumente injetados (misturas) podem ser resumidos como segue: Removedores/solventes irreversíveis (líquidos para remoção de constituintes ácidos, tais como, p. cx,, H_>S. Mercúrio, Mercaptanas) Inibidores de corrosão. Inibidores de Hidrato, Inibidores de Crosta, Inibidores de Cer, redutores de Arrasto, Dessalinizadores, Desemulsificadores, Desoleadores, Desespumantes, Agentes antiformação de sujeira Floculantes (aumentando a taxa de coalescência da fase dispersa) Condensado/hidrocarboneto (fluidos de extração) Gás (flotação ou alívio de formação de lingotes) Água (dessalinização ou manipulação do corte de água de uma mistura de fluxos de multifases para longe de seu valor crítico) Os respectivos fluidos de mistura são tipicamente introduzidos dentro do fluxo de um tubo a montante do equipamento de processamento, tal como a montante de um separador. O fluxo pode ser qualquer mistura de multifases de gás e um ou mais líquidos, um único gás ou uma combinação de gases, qualquer líquido ou mistura de componentes líquidos miscíveis ou componentes imiscíveis, tais como líquido hidrocarbonado e água. Em conseqüência, o fluxo pode ser, por exemplo, corrente de poço não-processada, água produzida, fluxo de óleo-água processado, fluxo de gás processado, água produzida contaminaa com hidrocarboneto disperso e dissolvido, fluxo de água processada, contaminada com líquido hidrocarbonado, ou água sujeita a remoção de componente gasoso (p. ex., desoxigenação). A faixa de tensão de superfície, viscosidade, pressão e temperatura pode variar consideravelmente e tipos adicionais de fluidos ou misturas são também importantes.

Embora a descrição acima e abaixo refira-se principalmente a processamento de hidrocarbonetos, a mistura de fluidos é uma operação unitária essencial também em outras partes da indústria de processamento, tais como produção de alimentos (p. ex., produção de emulsão), farmacêuticos, químicos (fluxo reativo que pode envolver ativadores ou reagentes), papel (refino/tratamento de polpa), fundidos (ligas) e outros processos. Estes processos envolvem, em geral, produção em batelada, empregando-se grandes recipientes, em que os diferentes fluidos são misturados por meio de agitadores. É razoáel acreditar-se que a utilização de mistura de fluxos de tubo em vez de agitação em recipientes é atrativa, tanto devido a custos de investimento e operacionais como flexibilidade de produção, segurança e qualidade de produto.

Tipicamente, a taxa de fluxo da mistura injetada dentro do tubo é extremamente pequena, em comparação com a taxa de fluxo volumétrica de, por exemplo, um fluxo de multi-fases. Os desafios com a alimentação da mistura são, portanto, associados com a obtenção de uma taxa de injeção não-oscilante constante, garantia da mistura axial e obtenção simultânea da dispersão e distribuição homogêneas da mistura através da seção transversal do tubo de fluxo de multi-fases de interesse (mistura radial). A distribuição do tamanho de gotícula resultante da mistura injetada dispersa é afetada pelo projeto do misturador, propriedades do fluido e taxa de fluxo de interesse.

Eixos de injeção são o mais comum dispositivo de injeção para misturas, porém os eixos de injeção não fornecem distribuição eficaz do produto químico dentro do fluxo de multifases. Com a exigência de obter-se uma taxa de injeção de estado constante, também a diminuição da taxa de fluxo da mistura é limitada. Os bicos normalmente suprem melhor distribuição do que os eixos ocos do fluido injetado dentro da fase contínua. As desvantagens são, entretanto, associadas com limitações da desintegração secundária das gotículas, estreita faixa operacional da taxa de fluxo da mistura (diminuição) e robustez mecânica limitada. Também a escalação em direção a dimensões mais elevadas de tubo é questionável.

Para o misturador Sulzer e misturadores estáticos similares, a mistura é injetada a montante do misturador. Os misturadores são baseados em placas ou defletores instalados em série, de modo que o fluxo de multifases é repetidamente exposto a forças elevadas de cisalhamento, a fim de finalmente obter uma mistura aceitável do fluido injetado e a fase de fluido contínua. Tipicamente, isto requer uma considerável queda de pressão (equivalente a consumo de alta energia, limitação da capacidade ou taxa de produção) e longas unidades de instalação de misturador. Tais misturadores tipicamente produzem distribuição de gotículas razoavelmente não-uniformes da mistura injetada para comprimentos práticos dos misturadores estáticos, visto que somente uma parte da mistura é exposta às elevadas forças de cisalhamento na superfície dos defletores ou placas.

Misturadores de uma carga, tais como estranguladores ou venturis, expõem o fluxo de multifases de influxo com respeito a um zona de alto cisalhamento obtido dentro de um misturador razoavelmente curto. Como para estes misturadores o fluido injetado é pré-injetado a montante do dispositivo misturador, o fluido injetado é arrastado com a massa da fase contínua. Por conseguinte, o fluido injetado não é, em geral, exposto à parte do misturador em que as forças de cisalhamento são altas; os arredores da parede do misturador. A fim de compensar isto e assegurar a dispersão do fluido injetado (como associado com estiramento dos “elementos fluidos” em regiões de alto cisalhamento; grande gradiente de velocidade de fluido), uma alta queda de pressão através do misturador precisa ser imposta. A Westfall Manufaturing Company of Bristol, Rhode Island, USA oferece um misturador estático, que é adaptado para disposição em um tubo contendo fluxo de fluido, o misturador estático incluindo um flange circunferencial estendendo-se radialmente para dentro a partir da superfície de tubo interna e, por sua vez, tendo pelo menos um par de flaps opostos, estendendo-se dali e inclinados na direção do fluxo de fluido. Dito misturador estático é descrito na publicação de patente US 5.839,828, a cujo documento é feita referência. A operação do misturador estático resulta em uma combinação de fluxo laminar e turbulento (coluna 1, linha 36-39). Além disso, produtos químicos podem ser adicionados através dos orifícios de injeção no lado a jusante dos flaps (reivindicação 4, figuras nos. 10 e 7, coluna 3, linha 21-33 e 59-62). Neste dispositivo, o produto químico é injetado pontual atrás de uma placa, isto é, um flap, e não injetado de modo que o produto químico seja homogeneamente distribuído na fase contínua. Não há descrição de qualquer borda aguda.

Pela invenção do misturador de injeção ProPure designado Cl00, como descrito no pedido de patente EP 01947618.3, a tecnologia para mistura e injeção foi avançada. O misturador de injeção C100 consiste de um elemento de contato formado como um tubo de contração, através do qual um fluxo de corrente de gás e um elemento de injeção, consistindo de uma entrada de líquido configurada para produzir uma coroa anular de líquido em tomo do perímetro interno do tubo de contração, uma borda aguda na extremidade do tubo de contração e uma outra seção de tubo a jusante da borda aguda. Preferivelmente, a seção de tubo a jusante é um tubo divergente para recuperar parte da queda de pressão através da seção de contração. No pedido de patente EP 01947618.3 é descrito como o misturador de injeção Cl00 pode ser usado para distribuir um líquido dentro de uma corrente de gás, para absorver um componente de gás selecionado de uma corrente de gás, o trazer a corrente de gás em contato com um líquido incluindo um solvente ou um reagente para o componente de gás selecionado, para retirar H2S do gás natural, para seletivamente remover H2S de um gás natural em preferência a C02, para simultaneamente remover componentes de gás ácidos de uma corrente de gás natural, para desoxigenar água, para desidratar gás natural e como ele é usado em combinação com as existentes colunas, para adaptar um planta existente para acomodar uma mudança das condições de alimentação. Adicionalmente, é descrito como o misturador de injeção pode ser usado como um misturador para remisturar as fases de um fluxo de fluido, sem r injeção de produtos químicos. E também descrito como diversos misturadores de injeção podem ser combinados em série ou em paralelo para injetar diversos líquidos, pela injeção de um produto químico em cada misturador (cf. reivindicações 15, 16, figuras nos. 10a e 10b do EP 091947618.3). A injeção de diversos fluidos de mistura em um misturador de injeção não é considerada no EP 01947618.3, provavelmente porque a injeção de diversos fluidos de mistura simultaneamente é considerada ineficiente. Por exemplo, a injeção de um gás junto com um líquido viscoso é considerada ineficiente, uma vez que não se espera que os fluidos de mistura místurem-se intimamente por causa da grande diferença das propriedades dos fluidos, como densidade, tensão de superfície e viscosidade. Isto, combinado com a taxa de fluxo de interesse e o gradiente de pressão resultante para pelo menos um dos fluidos de mistura injetados. Com base no ensinamento do EP 01947618.3, uma pessoa de habilidade comum na arte somente considerará a injeção de líquido dentro de um fluxo de gás, somente um elemento de injeção será considerado e somente um elemento de contato formado como um tubo de contração será considerado, visto que não há indicações de diferentes formas de realização ou de possibilidade de efeito técnico aperfeiçoado.

Apesar das propriedades vantajosas do misturador de injeção Cl00, existe uma demanda por tecnologia simplificando a injeção de diversos produtos químicos ou misturas com um misturador de injeção, assim reduzindo a queda de pressão e o número de misturadores de injeção. Existe também uma demanda por efeito técnico aperfeiçoado em relação ao misturador de injeção Cl00, com respeito à mistura do fluido de mistura, particularmente com injeção de multi-fluidos, deposição da mistura na parede de tubo interna e também construções alternativas de um misturador de injeção, que possa provar ser vantajoso para aplicações específicas, tais como modificação do equipamento existente para melhorar o efeito técnico. Existe uma demanda por um misturador de injeção com uma taxa de injeção de mistura constante, não-oscilante, minimizada (mistura axial) e dispersão e distribuição homogênea do produto químico dentro das fases fluidas (mistura radial), em uma larga faixa de condições de fluxo, com uma estreita faixa de tamanhos de gotículas/bolhas, em baixa queda de pressão e baixa taxa de deposição de mistura. Uma demanda também existe para um misturador para homogeneamente misturar fluidos fluindo em um tubo. Uma outra demanda existe por uma montagem de um misturador de injeção com equipamento adicional, particularmente exeqüível para tratamento da água produzida, tratamento de óleo, dessalinização e segurança de fluxo.

Sumário Da Invenção As demandas acima mencionadas são satisfeitas com a presente invenção, ao prover um misturador de injeção de mui ti fluidos, para injetar gás e/ou líquido como fluido de mistura para gás e/ou líquido fluindo através de um tubo e homogeneamente misturar os fluidos de mistura e fluidos de tubo, dito misturador de injeção constituindo uma seção do tubo. O misturador de injeção de multi fluidos distingue-se ao compreender: pelo menos um elemento de contato, tendo pelo menos uma superfície de contato voltada para o e defletindo parte do fluxo de fluido de tubo, formando uma constrição na seção transversal interna do tubo, de modo que o fluxo de fluido de tubo é acelerado e o fluido escoando nos arredores de dita superfície é defletado para escoar ao longo da superfície, até a extremidade da superfície sobre uma borda aguda no ponto de máximas constrição e velocidade de fluxo, pelo menos um elemento de injeção disposto com uma conexão de fluido a dita superfície do elemento de contato, de modo que o fluido de mistura possa ser injetado em dita superfície e ao longo de dit superfície seja arrastado pelo fluido de tubo escoando sobre a borda aguda, porém para um elemento de contato, formado como uma seção de tubo de contração, pelo menos dois elementos de injeção sendo fornecidos.

Preferivelmente, o elemento de contato é formado como coaxial ao cone inverso localizado no eixo geométrico do tubo, visto que isto provê um efeito técnico favorável, particularmente com respeito à deposição de fluido de mistura na superfície interna do tubo. Um elemento de contato formado de cone inverso tem a borda aguda na base do cone, isto é, na parte mais larga do cone. Um elemento de contato formado na seção de cone tem a borda aguda na base estreita do cone, isto é, na parte estreita ou em crista do cone.

Preferivelmente, o elemento de contato compreende diversas seções de cone, dispostas sobre a seção transversal do tubo, por exemplo, 7 seções de cone, o que resulta em aumentado comprimento da borda aguda, em relação à seção transversal do tubo e, desse modo, um efeito técnico favorável, particularmente para maiores dimensões de tubo. Similarmente, o elemento de contato pode favoravelmente compreender diversos cones invertidos ou seções de cone invertidas, dispostos sobre a seção transversal do tubo, por exemplo, lado-a-lado.

Preferivelmente, o elemento de contato é formado como um ou diversos anéis de seção transversal de cone invertido, o que significa pelo menos um elemento de contato formado em anel, em que uma seção transversal ao longo do raio é formada como um cone inverso com duas superfícies defletoras. Além disso, o elemento de contato pode compreender combinações das formas de realização acima mencionadas, tais como uma coaxial ao cone inverso localizado no eixo geométrico do tubo e pelo menos um anel de seção transversal de cone inverso.

Preferivelmente, é provida pelo menos uma passagem para fluxo de fluido de tubo ao longo da parede de tubo interna desviando-se do elemento de contato, o que resulta em fluxo de fluido de tubo ao longo da parede de tubo interna, reduzindo a deposição de mistura sobre a parede de tubo interna.

Preferivelmente, o elemento de contato é montado de partes intercambiáveis, permitindo a adaptação da forma do elemento de contato às condições prevalecentes, preferivelmente adaptável de modo que a mistura homogênea seja obtenível através da seção transversal do inteiro tubo em qualquer condição relevante de fluxo. Além disso, o elemento de contato preferivelmente inclui uma suspensão tendo ação de mola, de modo que a taxa de fluxo de tubo aumentada resulte em aumentada abertura para a mistura e taxa de fluxo da mistura, assim fornecendo uma taxa de injeção auto-regulante de mistura. O elemento de contato e o elemento de injeção são preferivelmente integrados como uma única montagem.

Preferivelmente, o elemento de injeção compreende um canal ou aberturas para injetar fluido de mistura uníformemente através da superfície defletora do elemento de contato, a montante da borda aguda, um elemento de injeção é preferivelmente disposto para cada fluido de mistura pretendido e elementos de injeção para gases são preferivelmente dispostos a montante dos elementos de injeção para líquidos. Além disso, os elementos de injeção são preferivelmente ajustáveis com respeito às aberturas e pressão para a taxa de fluxo do fluido de mistura de qualquer tipo ou mistura de fluidos de mistura.

Seções ou elementos de tubo divergentes são preferivelmente dispostos a jusante do elemento de contato, para prover um volume controlado de turbulência e aproximação da pressão e velocidade de fluxo do tubo, ao trazer a seção transversal de fluxo gradualmente de volta para a seção transversal do tubo. Entretanto, o efeito técnico é favorável também quando conectando-se o misturador de injeção de multi fluidos diretamente para o tubo ou conexão a jusante. Em conseqüência, um tubo divergente ou um elemento similar não é obrigatório, o que é surpreendente em vista do pedido de patente EP 01947618.3. A invenção também fornece um misturador para mistura homogênea de fluidos escoando através de um tubo, dito misturador constituindo uma seção do tubo, distinguido pelo fato de que o misturador compreende: pelo menos um elemento de contato tendo pelo menos uma superfície voltada para o e defletindo parte do fluxo de fluido de tubo, formando uma constrição na seção transversal interna do tubo, de modo que o fluxo de fluido de tubo é acelerado e o fluido escoando nos arredores de dita superfície é defletado para escoar ao longo da superfície, até a extremidade de superfície sobre uma borda aguda no ponto de constrição e velocidade de fluxo máximas. O misturador preferivelmente inclui pelo menos um dos aspectos mencionados acima, relativos ao elemento de contato. A invenção também fornece uma montagem, distinguida pelo fato de compreender um misturador de injeção de mui ti fluidos de acordo com a invenção, uma seção de tubo conectada em uma primeira extremidade à saída do misturador de injeção e um re-misturador de acordo com a US 5.971.604, conectado a uma segunda extremidade do tubo.

Com a frase misturador de injeção constituindo uma seção do tubo pretendemos significar que o misturador de injeção é inserido como uma seção dentro do tubo ou inserido no início ou fim do tubo, de modo que os fluidos de tubo escoam através do misturador de injeção. A expressão homogeneamente misturando significa, neste contexto, misturando íntimamente, preferivelmente através da inteira seção transversal do tubo, com a mistura de fluidos uniformemente distribuída como gotículas ou bolhas de tamanho muito pequeno, tipicamente de um tamanho medido em micros. A expressão uma borda aguda significa neste contexto uma borda escorregadia em que os fluidos injetados deslizam da superfície interna, dispersando-se em filamentos. Subseqüentemente, os filamentos são desintegrados em pequenas gotículas ou bolhas. A borda aguda usualmente formará um ângulo agudo. A frase que a borda aguda é localizada no ponto de máximas constrição e velocidade de fluxo implica que a borda aguda está na extremidade a jusante e mais constrita da superfície interna, relacionada com a direção de fluxo ao longo da superfície interna e que a seção transversal para o fluxo de fluido imediatamente mais a jusante da borda aguda é um tanto expandida. Um volume estagnante é assim formado na direção do vento da borda aguda, volume estagnante este sendo essencial para criar uma seção de intensa turbulência, considerada crucial para homogeneamente misturar os fluidos de mistura e fluidos de tubo.

Surpreendentemente, é agora possível injetar-se mais do que um fluido de mistura de qualquer tipo em um misturador de injeção única, com um ou mais elementos de injeção, mesmo se um fluido de mistura for um líquido muito viscoso e outro fluido de mistura for um gás. Surpreendentemente, o efeito técnico pode ser conseguido também com outras formas do elemento de contato do que um tubo de contração e algumas formas de realização fornecem uma melhoria significativa do efeito técnico, enquanto outras formas de realização podem abrir-se para moeificações de equipamento existentes, para melhorar o efeito técnico.

Em sua forma de realização mais simples, o misturador de injeção de multi fluidos da invenção pode compreender uma placa defletora ou flap, incluindo um elemento de injeção com injeção pontual do fluido de mistura na superfície interna da placa defletora ou flap, forma de realização esta sob muitas condições podendo ser preferível para os misturadores de injeção da arte anterior. O elemento de contato é muitíssimo preferivelmente formado como um ou mais cones inversos ou anéis de seção transversal em cone inverso, o que é considerado mais preferível para obter-se mistura homogênea através da inteira seção transversal do tubo, com a taxa de fluxo mais baixa de fluidos de mistura, através da mais larga faixa de condições prevalecentes e mais baixa taxa de deposição. Preferivelmente, as zonas estagnantes, na direção do vento das bordas deslizantes agudas, não se estendem até a parede de tubo interna para a circunferência de tubo total, muitíssimo preferivelmente elas não se estendem até a parede de tubo interna em absoluto, visto que isto reduz a taxa de deposição. Para esta finalidade, o elemento de contato deflecta o fluxo de tubo para longe da parede interna de tubo, sobre uma parte da circunferência de tubo no máximo.

Altemativamente, o elemento de contato é formado como uma placa com pelo menos uma abertura, como um anel calha ou como uma ou mais placas defletoras ou flaps. A forma de realização do elemento de contato formado como uma placa defletora inclui modificações de misturadores da arte anterior, com elementos de injeção incorporados, por exemplo, misturadores Sulzer, com pelo menos um elemento de injeção incluído em pelo menos uma placa defletora, ou um estrangulador com um elemento de injeção incluído na superfície estrangulante, ou o misturador estático Westfall com injeção em pelo menos um ílap.

Um elemento de injeção é preferivelmente disposto para cada fluido de mistura pretendido, em cada elemento de contato, e os elementos de injeção para gases são preferivelmente disposto a montante dos elementos de injeção para líquidos, visto que isto provou ser eficaz. Fluidos de mistura miscíveis podem ser injetados através de um elemento de injeção. Os fluidos de mistura formando o fluxo de película mais estável, usualmente as misturas mais viscosas, são em geral injetados mais próximos da borda aguda do que os fluidos de mistura formando filamentos ou películas menos estáveis. A invenção também fornece um misturador para homogeneamente misturar fluidos escoando através de um tubo, dito misturador constituindo uma seção do tubo, dito misturador sendo idêntico ao misturador de injeção, exceto que os elementos de injeção são omitidos.

Uma montagem é também provida pela invenção, distinguida pelo fato de compreender um misturador de injeção de acordo com a presente invenção, uma seção de tubo conectada em uma primeira extremidade à saída do misturador de injeção e um remisturador de acordo com a patente US 5.971.604 conectado a uma segunda extremidade do tubo.

Desenhos A presente invenção é ilustrada por desenhos, dos quais: A Figura 1 é uma seção transversal ao longo do eixo geométrico longitudinal de um misturador de injeção de multi fluidos de acordo com a presente invenção, isto é, um misturador de anel de cone invertido, A Figura 2 é uma vista por baixo do misturador da Figura 1, A Figura 3 é um misturador de injeção de multi fluidos de acordo com a presente invenção, tendo 7 elementos contatantes formados por cone, A Figura 4 é um misturador de injeção de multi fluidos de acordo com a presente invenção, em que o elemento de contato é formado como um cone invertido, A Figura 5 é um misturador de anel de cone invertido de acordo com a presente invenção e A Figura 6 ilustra uma montagem de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada É feita referência primeiro à Figura 1, ilustrando em seção transversal longitudinal, um misturador de injeção de multi fluidos 7 de acordo com a presente invenção, misturador de injeção este incluindo um elemento de contato (2, 2a, 2b) formado como um de anel de cone invertido, isto é, a seção transversal do elemento de contato, ao longo do raio do anel, é um cone invertido. O tubo de entrada 1 conduz fluido para ser processado para o misturador. O elemento de contato 2, formado como um anel de cone invertido com superfícies contatantes interna 2b e externa 2a, acelera os fluidos do tubo continuamente com respeito a uma velocidade e pressão dinâmica máximas prescritas. O diâmetro da saída das superfícies contatantes é determinada pela pressão dinâmica/força de arrasto requeridas para despedaçar os fluidos injetados eficientemente em uma borda aguda (4, 4a, 4b) na saída. Os elementos de injeção 3a e 3b são usados para injeção de fluidos de mistura, para formar uma película de bolhas de líquido/gás nas superfícies de contato internas. Os elementos de injeção incluem uma câmara ou conduto de anel pelo qual os fluidos injetados são guiados para as superfícies contatantes, via um canal contínuo. O diâmetro e comprimento (profundidade) do canal, ambos preferivelmente ajustáveis, são calculados pelas propriedades de fluido de líquido/gás e taxa de fluxo de injeção de mistura de líquido/gás, de modo que a queda de pressão através do canal circular normalmente exceda a diferença da cabeça de gravidade através da periferia para um misturador horizontalmente montado. Na extremidade a jusante do elemento de contato, as bordas agudas 4a e 4b são situadas, uma para cada superfície de contato, preferivelmente bordas agudas tendo ângulo inferior a 90°, projetadas de modo que a película de bolhas de líquido/gás seja acelerada pelo arrasto exercido pelo conteúdo do fluido e seja despedaçada em filamentos de bolhas de líquido/gás no volume a jusante, preferivelmente a “rastejando-se” na parede de tubo para o lado a jusante. Um elemento de expansão 5, formado como um tubo divergente, é disposto a jusante do elemento de contato e borda aguda, para desaceleração com respeito à velocidade de fluxo de tubo normal, O ângulo e comprimento do elemento de expansão são particularmente importantes para a geração de turbulência e queda de pressão permanente através do misturador de injeção. O tubo de saída 6 guia a mistura de fluido processada além. Como ilustrado na figura pelo tamanho e distribuição das gotículas/bolhas no tubo de saída 6, as gotículas e bolhas de gás são despedaçadas em tamanhos extremamente pequenos e distribuídas muito uniformemente através da inteira seção transversal do tubo. O tamanho das gotículas/bolhas pode ser tão pequeno quanto alguns micros. A forma de realização ilustrada na Figura 1, formada como um anel de cone invertido, inclui duas superfícies de contato, isto é, ume em cada lado do cone invertido, com um elemento de injeção para injeção de mistura para cada superfície de contato. As bordas agudas são localizadas em 4a e 4b, respectivamente, formadas como anéis de borda aguda. A Figura 2 ilustra o misturador de injeção de multi fluidos da Figura 1, como visto por debaixo, isto é, do lado a jusante. As bordas agudas 4a e 4b são indicadas. A forma de realização ilustrada nas Figuras 1 e 2 é muito favorável com respeito à mistura e deposição, o que significa que os fluidos de mistura injetados são muito uniformemente misturados para uma longa seção a jusante, sem serem depositados na parede de tubo interna.

Muitas geometrias alternativas são possíveis, das quais algumas preferíveis são ilustradas. A Figura 3 ilustra um misturador de injeção de multi fluidos chamado C700, com elementos contatantes formados de 7 seções de cone. Dito misturador de injeção fornece uma grande área de superfície de contato e uma grande comprimento de borda aguda, isto é, borda deslizante, relativa à seção transversal do tubo. Além disso, três aberturas de desvio de fluido de tubo 10, ao longo da parede de tubo interna, são fornecidas, resultando em uma “cortina” de fluido de tubo ao longo da parede de tubo interna, diminuindo a deposição de mistura sobre a parede de tubo interna. Portanto, o efeito técnico é favorável.

Uma diferente forma de realização pode ser vista na Figura 4, que ilustra um misturador de cone invertido, em que o cone invertido é localizado coaxial ao eixo geométrico de tubo. O volume da turbulência é localizado a jusante e na direção do vento do cone invertido, o que significa longe da parede de tubo interna, resultando em uma baixa taxa de deposição dos fluidos de mistura injetados. A Figura 5 ilustra uma forma de realização da mistura de injeção de multi fluidos da presente invenção, designada um misturador de anel, misturador este sendo uma forma de realização do misturador de anel de cone invertido ilustrado nas Figuras 1 e 2, provendo um efeito técnico muito similar. A deflexão do fluxo de fluido de tubo aumenta próximo da borda aguda, o que pode ser benéfico. O elemento de contato poderia altemativamente ser formado como um flange com pelo menos uma abertura, preferivelmente uma abertura coaxial com o fluxo de tubo, ou uma calha interna em tomo da periferia do tubo. Com um elemento de contato formado como uma seção de cone, os fluidos ou misturas injetados escoam co-correntemente com o fluido do tubo. Com um elemento de contato formado como flange ou similarmente os fluidos injetados escoam lateralmente ou transversais à corrente na direção geral de fluxo através do tubo. Com um elemento de contato formado como uma calha, o fluido injetado escoa pelo menos parcialmente em contra corrente à direção de fluxo principal do tubo. As formas de realização do elemento de contato, resultando em pelo menos parcial fluxo de corrente transversal ou fluxo de contra-corrente dos fluidos de mistura injetados, terão uma área mais estagnante na superfície mais próxima da parede de tubo, em cuja área mais estagnante uma película mais espessa ou bolhas de líquido/gás injetadas podem ser acumuladas para serem arrastadas por lingotes ou taxas de fluxo aumentadas. A orientação do conduto em relação à direção do fluxo principal ou da área de superfície em direção ao fluxo de tubo de multifases também afeta a condição limite local em termos da pressão na saída do conduto de fluido de mistura. Assim, quando o momento de fluxo do fluxo de multifases é aumentado, a sucção causada pela pressão dinâmica aumentada servirá para aumentar a taxa de fluxo do fluido de mistura em alguma proporção. Assim, uma espécie de auto-regulação é conseguida, o que pode ser benéfico para condições de fluxo de tubo flutuante. Outrossim, o grau de constrição pode ser diferente.

Como uma outra explicação e com referência à Figura 1, sem desejarmos ficar presos a teoria, a seqüência de geração de gotícula pode ser dividida em quatro estágios, dos quais A designa que inicialmente uma película anular do fluido injetado é exposta para acelerar o fluxo de fluido do tubo. Em B, a geometria de borda aguda especial favorece a geração dos dilamentos dos fluidos injetados dentro do fluxo contínuo. Em C, os filamentos do fluido injetado são despedaçados em pequenas gotículas. O despedaçamento é determinado pelo número de Weber (número-We), como calculado pela tensão de superfície σ entre a fase fluido do tubo e o fluido injetado, a dimensão de filamento característica d, a velocidade relativa U e a densidade p da fase contínua (ref. Krzeczkowski, 1980): We = p. U2. àJa Despedaçamento corresponde a We > Wea. Para experimentos de túnel de vento e injeção de gotícula dentro do campo de fluxo, Wea foi determinado como sendo 8-10. Em D ocorre mistura de gotícula radial, determinada pelo despedaçamento das gotículas de filamento e pela turbulência local, como representado pelo número de Reynolds do fluxo de tubo. É importante controlar a pressão de injeção e a taxa de injeção, de modo que os fluidos de mistura sejam injetados nas superfícies contatantes internas em vez de dentro do fluxo de tubo e de modo que os fluidos de tubo não escoem para dentro do equipamento de injeção.

Referência é feita à Figura 6, que é uma ilustração de uma montagem de acordo com a presente invenção. Mais especificamente, a montagem compreende o misturador de injeção de multi fluidos 7 da invenção, disposto com uma seção de tubo 8 e um re-misturador 9. O re-misturador é de acordo com a descrição da publicação de patente US 5.971.604. Mais especificamente, o re-misturador compreende um recinto a ser inserido dentro do tubo para o fluido fluir através, e no recinto há pelo menos um e preferivelmente dois ou mais elementos reguladores contíguos e individualmente deslocáveis, selantemente dispostos, tendo partes de parede cooperantes com passagens de fluxo. Os elementos reguladores podem ser ajustados para as passagens de fluxo a serem focalizadas em um ponto de uma câmara central, ou a serem desalinhadas com respeito às passagens de entrada e passagens de saída da câmara central, desse modo controlando o fluxo e ação de mistura. Para mais detalhes, reportem-se, por favor, à US 5.971.604. A montagem é particularmente útil para processamento de água produzida, para reduzir a contaminação do óleo.

Exemplo 1 - Tratamento da água produzida Uma montagem de acordo com a Figura 6 foi usada para reduzir o conteúdo de óleo na água produzida. O misturador de injeção tenha um elemento de injeção formado como uma seção de cone. O re-misturador era de acordo com a reivindicação 2 da US 5.971.604. Dois fluídos de mistura foram injetados, a saber, gás nitrogênio a montante de um floculante líquido. O nitrogênio pode ser substituído parcial ou completamente pelo gás natural. O comprimento do tubo era na faixa de 0,1 - 30 m. As taxas de fluxo volumétrico real eram em geral como segue: Água produzida: Qw Gás nitrogênio: Qw 10'2 Floculante: Qw. 10'5 Com taxas de fluxo correspondentes, um desempenho igualmente bom ou melhor pode ser conseguido com respeito ao conteúdo de óleo na água produzida separada a jusante, em comparação com uma arranjo de injeção de dois misturadores de injeção C100 em série, a 50% da queda de pressão, ou comparado com um arranjo adjacente de floculante injetado em um eixo oco ou bico a montante de um misturador de injeção Cl00 usado para injeção de gás. A queda de pressão foi na faixa de 0,02 - 2 bar, dependendo das condições de fluxo do tubo. O gás injetado forneceu um efeito de flutuação. O re-misturador manteve o efeito de flutuação das bolhas de gás e a distribuição uniforme do floculante e bolhas de gás através da inteira seção transversal do tubo. A uma distância a jusante do remisturador, equipamento para separação do óleo da água é instalado, por exemplo, um hidroeiclone, que provou ser eficiente para a separação do óleo do fluxo de água, incluindo bolhas de gás e gotículas de óleo coalescidas. O re-misturador é ajustável com respeito à ação de mistura e pode ser operado de modo que a operação do equipamento de separação a jusante seja eficiente, mesmo em taxa de fluxo de tubo um tanto variável, contanto que as variações possam ser compensadas regulando-se a ação de mistura do re-misturador. O re-misturador pode ser substituído por um misturador de acordo com a presente invenção ou um misturador de injeção da invenção ou o misturador de injeção Cl00, os misturadores de injeção sem injeção de outros produtos químicos, mas simplesmente operando como um misturador ou, altemativamente, com mais injeção das misturas. Entretanto, a montagem da invenção, com o misturador de injeção ou remisturador conectados via uma seção de tubo, fornece um efeito técnico para tratamento da água produzida até agora desconhecido. Presume-se, sem desejarmos ficar presos a teoria, que o arranjo de misturador de injeção com o conduto de gás, seguido pelo conduto de floculante, serve para mudar o perfil de velocidade e a tensão de cisalhamento da parede expostos ao floculante injetado. O gás é imediatamente disperso em pequenas bolhas e localmente aumenta a velocidade de fluxo do fluxo de multifases nos arredores da parede da parte de injeção do misturador. Isto serve para aumentar o gradiente de velocidade e, em conseqüência, também a tensão de cisalhamento como imposta ao floculante injetado. Como resultado, uma eficiente dispersão homogênea do floculante é gerada. Isto é particularmente importante se o tempo de permanência do floculante antes da separação for limitado.

Exemplo 2 - Tratamento do óleo Este exemplo refere-se ao uso da montagem da invenção em um método para tratamento de óleo. Tratamento de óleo-em-água convencional é normalmente realizado em grandes recipientes horizontais, para permitir sedimentação por gravidade das gotículas de água. No tratamento de sistemas de óleo pesado, é normalmente necessário aplicarem-se consideráveis quantidades de produto químico desemulsificadores para eficazmente desprender água do óleo, para atender à especificação do produto menor do que 0,5 % BS&W (Sedimento Básico e Água de fração volumétrica). O desemulsifícador é um composto ativo de superfície, que compete com os tensoativos naturais no óleo para deslocá-los da interface de óleo-água. Assim, a película interfacial em tomo das gotículas pode ser dispersa para facilitar a coalescência de gotícula-com-gotícula.

Com o uso do equipamento da arte anterior, tais como bicos de injeção e eixos ocos de injeção, é muito difícil certificar-se de que o agente de desemulsificação chega nas superfícies das gotículas que são dispersas na corrente de óleo contínua. Assim, superdosagem de produto químico pode tomar-se um problema - em vez de desestabilizar uma emulsão, uma nova emulsão pode ser formada, resultando em mau-funcionamento do separador de óleo-água.

Sabe-se que a recirculação da água produzida pode aumentar o desempenho do separador, devido ao aumento do corte de água crítico e a possível inversão de fase para um sistema contínuo de água. Utilizando-se a dupla função de injeção do misturador de injeção, a água produzida recirculada e o agente de desemulsificação podem ser injetados a montante do separador de produção. Uma vez a água com agente desemulsifícador seja injetada e misturada homogeneamente na fase contínua, o re-misturador de acordo com a US 5.971.604 é usado para criar nova área de superfície para coalescência gotícula-gotícula. Com remistura cuidadosa do produto químico injetado, da água recirculada e do fluxo de multifases a ser tratado, o produto químico desemulsificador pode alcançar a nova área de superfície das gotículas e imediata e eficaz coalescência de gotícula de água pode começar. De fato, tal mistura eficaz do agente desemulsificador e coalescência a seguir das gotículas de água pode reduzir o teor de água no óleo em pelo menos 35%, em comparação com os sistemas convencionais. Altemativamente, 20% menos de produto químico desemulsificador pode ser aplicado ao processo e ainda produzir a especificação de 0,5% BS&W.

Exemplo 3 - Dessalinização Este exemplo refere-se ao uso da montagem da invenção em um método para dessalinizar óleo bruto. O óleo bruto com frequência contém água, sais inorgânicos, sólidos suspensos e metais traço solúveis em água. Como uma primeira etapa do processo de refino, para reduzir a corrosão, obstrução e incrustação do equipamento e para evitar o envenenamento dos catalisadores nas unidades de processamento, estes contaminantes devem ser removidos por meio de dessalinização, compreendendo injeção de mistura, incluindo água, mistura de fluxos de multifases e separação a jusante.

Os dois métodos mais típicos de dessalinização de óleo bruto, com base na separação química e eletrostática, utiliza água quente como o agente de extração. Na dessalinização química, água e tensoativo químico (desemulsificadores) são adicionados ao não refinado, aquecidos de modo que sais e outras impurezas dissolvam-se dentro da água ou liguem-se à água, e são então dirigidos para dentro de um tanque em que se sedimentam. A dessalinização elétrica é a aplicação de cargas eletrostáticas de alta voltagem em gotículas de água suspensas concentradas no fundo do tanque de sedimentação. Implementação de processo prático para dessalinização podería também incluir a combinação destas metodologias.

Equipamento da arte anterior para a injeção / mistura de injeção de água / agente desemulsificador pode ser a combinação de eixo oco de injeção com misturador Sulzer ou válvula de estrangulamento. O uso da montagem da invenção salvaguardará a eficaz e homogênea distribuição de água quente e desemulsificador, de modo que área de superfície ótima seja criada para o sal a ser extraído do óleo para dentro da água injetada. Pode-se esperar que a eficiência para o processo seja melhorada, tanto em termos de quantidade de desemulsificador necessário para obter-se uma qualidade especificada, queda de pressão necessária para o processo e capacidade de manuseio volumétrico do processo de dessalinização.

Exemplo 4 - Segurança de fluxo Este exemplo refere-se ao uso da montagem da invenção em um método para segurança de fluxo. A Segurança de Fluxo inclui todos os problemas importantes para manter o fluxo de óleo & gás do reservatório para as instalações de recepção. Os problemas de bloqueio de tubulação potenciais podem ser relacionados com hidratos, cera, asfaltenos, crosta ou areia. A formação de hidratos é um problema operacional e de segurança principal, que pode ocorrer imprevisivelmente em tubulações submarinas e instalações de boca de poço. Os hidratos gasosos podem potencialmente ser formados em linhas de fluxo submarinas, a menos que o teor de água seja removido para abaixo da temperatura de condensação mais baixa encontrada. Tipicamente, precauções são isolamento de tubulação, aquecimento e/ou inibidores. O caminho convencional para inibição de hidratos é a injeção de metanol ou glicol na tubulação. Desta maneira, a linha de ocorrência de formação de hidrato é mudada em direção a mais baixas temperaturas para o nível de pressão de interesse.

Com o uso da montagem da invenção, metanol, junto com um produto químico de triazina de reação irreversível, é injetado na tubulação para simultaneamente remover H2S altamente corrosivo e para evitar a formação de hidratos. O produto químico baseado em triazina, formando película ou filamentos mais estáveis, é injetado através do elemento de injeção do misturador de múltiplas injeções mais próximo da borda aguda, enquanto que o metanol ou glicol é injetado através do elemento de injeção mais remoto da borda aguda. Com isto, também o perfil de velocidade do fluxo de tubo é afetado, de modo que a tensão de cisalhamento na área de superfície, com respeito à borda aguda, é aumentada. Como consequência, resulta uma deformação mais eficiente dos filamentos e a geração de desintegração de gotículas secundárias de triazina, em comparação com injeção não imediata de metanol a montante da injeção de triazina.

Exemplo 5 - Comparações com C100 Surpreendentemente, as formas de realização preferidas dos misturadores de injeção de multi fluidos da presente invenção utilizam a turbulência gerada pela borda de deslizamento aguda, para distribuir e manter as gotículas em uma fase gás e, provavelmente, similar para qualquer fase de fluido de tubo, por um tempo mais longo do que Cl00. Mudando-se a geometria que define o elemento de contato e a borda deslizante, a turbulência surpreendentemente ajuda a manter as gotículas na fase gás. As novas geometrias permitem que o gás escoe sobre a borda de deslizamento aguda, bem como gerando uma cortina de gás entre a parede e as bordas de deslizamento agudas. Isto serve para reduzir a taxa de deposição de gotícula, em comparação com Cl00.

As seguintes tabelas mostram alguns parâmetros típicos, em que três formas de realização da invenção são comparadas com o misturador C100. A Tabela 1 mostra a fração do fluxo de líquido total (fluido de mistura) escoando com a fase gás (fluido de tubo) na posição 40 cm após o ponto de injeção. O resto do líquido está escoando como película líquida na parede de tubo. Como pode ser visto pela tabela, melhoria significativa foi conseguida com a presente invenção, em termos de fração de arrasto na posição a jusante. A Tabela 2 mostra a queda de pressão registrada quando o misturador foi estado com ar a 1 bar e uma velocidade superficial de 22 m/s. A tabela também mostra o fator-G, que caracteriza a geometria de um ponto de vista aerodinâmico. É vantajoso ter-se G tão baixo quanto possível, visto que este representa um potencial para baixa queda de pressão permanente sobre a montagem misturadora.

Tabela 2 As formas de realização testadas são ilustradas nos desenhos como segue: A Figura 3 ilustra um misturador de injeção C700, com 7 cones (elementos contatantes) e 3 passagens para fluido ao longo da parede de tubo (aberturas de derivação de fluido de tubo 10). A Figura 4 ilustra um misturador de cone invertido e A Figura 5 (e Figuras 1 e 2 também) ilustra um misturador de anel de cone invertido, misturador este às vezes chamado um misturador de anel. O misturador de injeção de multi fluidos, o misturador e a montagem de acordo com a presente invenção podem em princípio ser usados em qualquer indústria em que a mistura, injeção e condicionamento do fluido podem ser realizados em um tubo contendo fluidos escoando.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Misturador de injeção de multí fluidos (7), para injetar gás e/ou líquido como fluido de mistura em gás e/ou líquido escoando através de um tubo (I) e homogeneamente misturar os fluidos de mistura e fluidos de tubo, o misturador de injeção constituindo uma seção do tubo, caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos um elemento de contato (2), tendo pelo menos uma superfície de contato (2a, 2b) voltada para o e defletindo parte do fluxo de fluido do tubo, formando uma constrição na seção transversal interna do tubo, de modo que o fluxo de fluido de tubo seja acelerado e o fluído escoando nos arredores de dita superfície seja defletado para escoar ao longo da superfície até as extremidades de superfície sobre uma borda aguda (4, 4a, 4b), no ponto de máximas constrição e velocidade de fluxo; e, pelo menos um elemento de injeção (3, 3a, 3b) disposto com uma conexão de fluido com dita superfície do elemento de contato, de modo que o fluido de mistura possa ser injetado em dita superfície e ao longo de dita superfície seja arrastado pelo fluido de tubo escoando sobre a borda aguda, em que em que o elemento de contato (2) é formado como pelo menos um de: um coaxial para o cone invertido localizado no eixo geométrico do tubo; ou um ou diversos cones invertidos.

2. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de contato (2) compreender diversas seções de cone, dispostas sobre a seção transversal do tubo.

3. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou os diversos cones invertidos está(ao) disposto(s) sobre a seção transversal do tubo.

4. Misturador de acordo com a reivindicação I, caracterizado pelo fato de o elemento de contato (2) compreender um coaxial ao cone invertido localizado no eixo geométrico de tubo e pelo menos um anel de cone invertido.

5. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser fornecida pelo menos uma passagem (10) para fluxo de fluido de tubo, ao longo da parede de tubo interna, desviando-se do elemento de contato.

6. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de injeção (3) compreender um canal ou aberturas para injetar fluido de mistura uniformemente sobre a superfície de contato do elemento de contato, a montante da borda aguda.

7. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um elemento de injeção (3) ser disposto para cada fluido de mistura pretendido.

8. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os elementos de injeção (3) para gases serem dispostos a montante dos elementos de injeção para líquidos.

9. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os elementos de injeção (3) serem ajustáveis com respeito a aberturas e pressão para taxa de fluxo do fluido de mistura de qualquer tipo de mistura de fluidos de mistura.

10. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de contato (2) ser montado de partes intercambiáveis, permitindo a adaptação da forma do elemento de contato às condições prevalecentes.

11. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de contato (2) incluir uma suspensão tendo uma ação de mola, de modo que a taxa de fluxo de tubo aumentada resulta em abertura aumentada para mistura e taxa de fluxo de mistura.

12. Misturador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o elemento de contato (2) e o elemento de injeção (3) serem integrados como uma montagem.

13. Montagem compreendendo um misturador de injeção de multi fluidos, caracterizada pelo fato de que o misturador de injeção de multi fluidos (7) é como o definido na reivindicação 1, compreendendo ainda uma seção de tubo (8) conectada em uma primeira extremidade à saída do misturador de injeção (7) e um re-misturador (9) em uma segunda extremidade, o re-misturador (9) compreendendo um alojamento com pelo menos um elemento regulador contíguo e individualmente deslocável, selantemente disposto, tendo partes de parede cooperantes com passagens de fluxo, cujo elemento regulador pode ser ajustado para as passagens de fluxo a serem focalizadas em um ponto de uma câmara central, ou a serem desalinhadas com respeito às passagens de entrada e passagens de saída da câmara central.