BRPI0805282A2 - dispositivo ciclÈnico gerador de escoamento anular - Google Patents

Abstract

Refere-se a presente invenção a um dispositivo aplicado preferencialmente em linhas de transporte de petróleo, capaz de gerar um padrão de escoamento anular em fluidos predominantemente bifásicos, a partir da energia presente na vazão do próprio fluido. Sob um conceito totalmente distinto, o dispositivo gerador de escoamento anular proposto baseia-se em uma configuração de um hidrociclone axial que não apresenta pontos de injeção de fluido para a formação da camada periférica do escoamento anular, como a maioria das ferramentas conhecidas da técnica, dispensando equipamentos acessórios de bombeio. O dispositivo pode, opcionalmente, atuar como um hidrociclone de drenagem.

Description

DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR

CAMPO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um dispositivo aplicadopreferencialmente em linhas de transporte de petróleo, capaz de gerar umpadrão de escoamento anular, em fluidos predominantemente bifásicos, apartir da energia presente no escoamento do próprio fluido.

Sob um conceito totalmente distinto, o dispositivo gerador deescoamento anular proposto baseia-se em uma configuração de umhidrociclone axial que nãp apresenta pontos de injeção de fluido para aformação da camada periférica do escoamento anular, como a maioria dasferramentas conhecidas da técnica, dispensando equipamentos acessóriosde bombeio. O dispositivo pode, opcionalmente, atuar como umhidrociclone de drenagem da fase segregada na camada periférica.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

Na indústria petrolífera é de conhecimento geral que o fluidopetrolífero extraído de um poço, e que é tratado genericamente porpetróleo, na verdade constitui-se de diversos compostos naturais, entre osquais se destacam os hidrocarbonetos com um real valor comercial (deagora em diante denominados óleo), e a água.

Dentro de um contexto representado pelos diversos processosinerentes à indústria de petróleo, o problema técnico que motivou a atualinvenção é conhecido no meio técnico como transporte de óleos,preferencialmente de óleos viscosos (ou pesados).

A diferença de pressão necessária ao transporte monofásico delíquidos em dutos, mantidos constantes a vazão e parâmetros geométricosdos dutos, cresce proporcionalmente ao aumento do fator de fricção doescoamento. Em escoamentos Iaminares o fator de fricção é função diretada viscosidade do líquido, enquanto que em escoamentos turbulentos éfunção do padrão de escoamento. Para determinado valor do fator defricção do escoamento tal transporte torna-se economicamente inviável.Uma maneira de viabilizar este transporte é criar uma camadalubrificante entre a parede do duto e o líquido, permitindo uma reduçãosignificativa da diferença de pressão necessária ao transporte do líquido.Este padrão de escoamento é conhecido como escoamento anular (ou"core flow").

A patente US 759,374, de 10/05/1904, reivindica um método degeração de escoamento anular em dutos a partir do escoamento axial defluidos de densidades diferentes. Este método propõe superpor aomovimento axial dos fluidos um movimento rotacional. A força centrífugagerada por este movimento rotacional tenderia a segregar a fase maisdensa junto à parede do duto, confinando a fase menos densa em seunúcleo. Para provocar o movimento rotacional os autores, Isaacs e Speed,sugerem prover a parede interna do duto com obstruções, de qualquernatureza, contanto que sua disposição se dê em um curso helicoidal, eapresentam um diagrama esquemático desse aparato.

Outras opções têm sido propostas ou usadas para o transporte deóleos pesados, entre elas o aquecimento externo de linhas, a diluição emóleos leves, a emulsificação em água e até mesmo o uso de barcas oucaminhões. No entanto, a opção mais atraente parece residir no transportemultifásico, especialmente sob padrão de escoamento anular.

A literatura sobre transporte de óleos pesados por meio deescoamento anular é vasta. Em 1996, G.A.S.M. Ribeiro apresentou umlevantamento extenso sobre transporte de óleos pesados por meio deescoamento anular óleo-água. Este trabalho contém aspectos gerais datecnologia, estudos experimentais, teóricos e linhas industriais, equaçõesde projeto, efeitos da molhabilidade por óleo das paredes do duto epotencial de aplicação na indústria do petróleo.

A maior parte deste levantamento refere-se à aplicação datecnologia ao escoamento monofásico de óleos viscosos.

Segundo Ribeiro, é possível e economicamente viável o transportede óleos pesados em oleodutos pela adição de água ao escoamento nasproximidades da parede da tubulação. Desta forma, o óleo é confinado emum núcleo completamente envolvido pela água e estabelece-se o regimede escoamento anular, no qual uma fina camada de água atua comolubrificante ("core-annular flow"), permitindo uma significativa redução naperda de pressão ao longo do tubo.

É importante salientar que, de acordo com este estudo, estaconfiguração de escoamento, que pode ser atingida com quantidadesmínimas de água (estudos registram escoamento anular atingido comfrações de vazão de 2% a 3% de água), é hidrodinamicamente estável,persistindo por meio de acidentes e irregularidades na linha. Os gradientesde pressão requeridos são equivalentes aos de um escoamentomonofásico de água com a mesma vazão total. Isso significa que estemétodo de transporte de óleos pesados proporciona uma economia daordem da razão das viscosidades envolvidas.

A mesma tecnologia também pode ser aplicada ao transporte deóleos de viscosidades não muito elevadas por regiões de baixastemperaturas.

Para a mesma aplicação, a patente US 6,105,671, de 22/08/2000,revela como solução uma bomba submersa para minimizar a formação deemulsão e estabelecer um escoamento anular. A bomba submersa éprovida com um dispositivo de saída capaz de gerar um movimentorotacional no fluxo de óleo bombeado, aumentando a aceleraçãotangencial do fluido. A seguir, o fluido é direcionado ρ ara uma câmaracônica, que tem seu raio reduzido até que possa ser conectada à linha deprodução. Esta, no entanto, é uma solução pontual, cara e que exigeequipamento complexo. Caso seja aplicada deve ser implementadadiretamente no interior do poço, exigindo modificações no equipamento debombeio.

Um método bastante utilizado devido à facilidade de aplicação, ecomum da técnica atual, é a utilização de flanges que injetam águadiretamente ao fluxo de óleo pesado, em qualquer ponto da linha detransporte. Como exemplo, pode ser citada a patente US 4,753,261, de28/06/1988, em que este método também é aplicado. A injeção é feitajunto à parede da tubulação, por meio de bombas específicas que dosamo volume de água conforme a necessidade do momento.

No entanto, é também conhecido que as reservas de petróleo emsolo brasileiro têm sido encontradas no subsolo marinho, mas,seguidamente, muitos poços de petróleo de grande valor econômico têmsido prospectados e abertos em águas cada vez mais profundas. Nadamais natural que a tecnologia até então conhecida para exploração eprodução de petróleo em terra firme seja transferida e aplicada para onovo ambiente de extração. Assim, com o passar do tempo, à medida queas descobertas de novos poços de petróleo foram avançando para águasmais profundas, a tecnologia existente foi sendo adaptada, bem comonovas soluções foram surgindo para contornar os desafios impostos pelanatureza.

Assim, um dos problemas mais encontrados nos poçosprospectados em águas profundas e ultra-profundas é a perda de cargagerada durante o transporte do óleo através das linhas de produção, cadavez maiores e profundas. A solução conhecida de gerar um escoamentoanular onde o óleo é encapsulado, preferencialmente, pela injeção deágua, foi mantida. Contudo, a tecnologia existente teve que ser adaptadapara satisfazer as condições mais exigentes de profundidade. Nesteaspecto, a solução, antes barata, foi se tornando mais onerosa.

A água a ser injetada deve obedecer a parâmetros específicos.Dessa forma, além do custo de tratamento do fluido especificamente paraeste fim, há o custo de bombeio do fluido até o local de injeção, e osequipamentos de injeção devem ser projetados para suportar as condiçõesambientais próprias das grandes profundidades.Sob outro aspecto, se a água pode ser uma solução nos problemasreferentes ao transporte de fluidos por longas distâncias, ela também podese tornar um problema técnico quando há a necessidade de diminuir pesoe espaço ocupado pelos equipamentos de separação no processamentoprimário de petróleo nas plataformas.

Os equipamentos de separação no processamento primáriobaseiam-se na segregação natural que ocorre entre fases de massasespecíficas diferentes quando submetidas a uma força de campo. Quantomaior a força de campo empregada, menor o tamanho de equipamentonecessário.

As tecnologias de separação ciclônica de misturas gás-líquido eóleo-água, em que a água é a fase contínua, já se encontram bemestabelecidas no âmbito da indústria do petróleo. Como exemplo daconfiguração construtiva tradicionalmente utilizada em hidrociclones destetipo podemos citar a patente US 5,667,686, de 16/09/1997, em que o fluxoprincipal penetra o equipamento radialmente e os fluidos separados sãodescarregados em sentidos opostos.

Entretanto, a operação inversa de desidratação do óleo através dedrenagem ciclônica (com hidrociclones "dewatering") ainda é uma área emdesenvolvimento, e tem visto relativamente pouco progresso referente asoluções com aplicações em larga escala. A principal razão deste poucoprogresso é a maior tendência de quebra das partículas da fase dispersa(menos viscosa) em meio ao campo de deformação gerado no interior dohidrociclone de drenagem, diminuindo sua eficiência de separação.

O pedido de patente BR 0500574-4 propõe, entre outras inovações,a aplicação de forças de campo de maior magnitude no tratamento dadoàs correntes gasosas, aquosas e oleosas. Isso permitiria a diminuição dotamanho dos vasos separadores do primeiro estágio de separação egarantiria compactação da unidade.

Para estas aplicações, o citado pedido sugere a utilização deequipamentos ciclônicos em três situações, a saber: na separação gás-líquido; na separação líquido-líquido e aptos a lidar com correntes aquosascom quaisquer teores de óleo; e na separação líquido-líquido e aptos alidar com correntes oleosas com quaisquer teores de água livre. Existemsoluções comerciais para a primeira e segunda aplicações, mas a terceiraainda é uma tecnologia em desenvolvimento no mundo.

Para viabilizar a concepção de unidades de separação e tratamentode óleo mais compactas a jusante no processo é suficiente que seextraiam maiores teores de água da fase oleosa a montante, ainda que amistura bifásica extraída necessite tratamento adicional paraenquadramento da água segundo a legislação ambiental vigente. Assim,deve haver uma combinação de geometria de um hidrociclone que, dadasas condições operacionais e concentração de água na sua entrada,proporcione a formação de uma camada com alto teor de água na parededo dito hidrociclone, cuja drenagem viabilizaria compactar osequipamentos de separação a jusante.

A presente invenção também pretende, opcionalmente, preencheresta lacuna.

Conforme foi descrito, diversas soluções já foram propostas para osdois problemas da indústria petrolífera apontados acima: transporte deóleo a longa distância utilizando água como camada externa lubrificante, edrenagem da água no óleo transportado. No entanto, as soluçõesapresentadas até agora sempre utilizam método ou equipamentocomplexo e de alto custo, ou são pouco eficientes.

Adotando-se quaisquer das soluções apresentadas até agora, paraquaisquer problemas estudados, será necessário para cada problema aadoção de um tipo de solução, utilizando equipamentos distintos eindependentes, geralmente complexos ou caros.

Um objetivo da presente invenção é, portanto, desenvolver umanova tecnologia na concepção de equipamentos de linha de transporte depetróleo, que possam ser adotados tanto como solução na conformaçãode um escoamento anular, quanto alternativamente possam ser aplicadospara drenar a água contida no fluido transportado.

Como resultado de pesquisas neste sentido, foi inventado um únicoequipamento capaz de realizar as duas operações conforme anecessidade de aplicação: o encapsulamento do óleo pela água, gerandoum escoamento anular em qualquer parte de uma linha de transporte ondeseja necessária esta aplicação, ou a drenagem do excesso de água emqualquer ponto do processo produtivo.

A principal preocupação no desenvolvimento deste novoequipamento visa, essencialmente, simplificar e baratear a operação deformação de um escoamento anular de óleo em água. Objetiva, também,oferecer ao mercado uma opção eficaz e simplificada, eliminando anecessidade da implementação de um complexo sistema de bombeio e deinjeção de água especificamente para esta operação, tornando-se umaopção de fácil aplicação em qualquer ponto de uma linha de transportepreferencialmente bifásico, submarina ou terrestre.

Outros objetivos que o dispositivo ciclônico gerador de escoamentoanular, objeto da presente invenção, se propõe a alcançar são a seguirelencados:

a. baratear custos, tanto de material quanto de implementação;

b. eliminar a dependência de um conjunto de equipamentos debombeio;

c. eliminar o custo extra com o bombeio de água;

d. eliminar a possibilidade de interrupção da formação doescoamento anular, devido à parada do equipamento debombeio;

e. reduzir drasticamente o tempo de implementação de um pontode formação de escoamento anular, em qualquer ponto dalinha de transporte;f. dispor de um equipamento sem partes móveis, apto a seraplicado diretamente na linha de transporte;

g. reduzir riscos de acidentes pessoais, ambientais e materiais,por eliminar a necessidade de equipamentos de bombeio;

h. mitigar a dependência de equipamentos com tecnologias eoperabilidade cada vez mais complexas;

i. dispor de um único equipamento capaz de operar tambémcomo um eficaz hidrociclone de drenagem;

j. ao atuar como hidrociclone, ser capaz de receber e dispensaro fluxo principal axialmente ao equipamento.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um primeiro aspecto, a invenção compreende umdispositivo ciclônico hidrodinâmico composto basicamente de trêselementos: um tubo Venturi, um corpo hidrodinâmico e um conjunto depalhetas.

O dito dispositivo ciclônico gerador de escoamento anular apresentaquatro porções: A, B, C e D, cada uma com características construtivas efunções distintas.

A região A é composta por um bocal, coaxialmente ao dito bocal éprovido uma primeira porção do corpo hidrodinâmico, o qual apresentauma formação predominantemente cônica crescente em direção ao interiordo equipamento por um comprimento determinado. Um canal acelerador éformado pela parede interna do bocal e a superfície externa da primeiraparte predominantemente cônica crescente do corpo hidrodinâmico.

A região B apresenta um canal convergente formado pela paredeinterna do tubo Venturi e a segunda parte do corpo hidrodinâmico, comformato predominantemente hiperbólico decrescente.

A região C formada por um canal de produção com um formatodivergente suave, delimitado pelo alinhamento da parede interna do tuboVenturi e uma terceira parte do corpo hidrodinâmico. A parede interna docanal de produção será gradativamente aumentada ao longo de umcomprimento, até atingir um valor igual ao raio da tubulação a jusante dodispositivo ciclônico gerador de escoamento anular, mantendo este raiopermanente ao longo da próxima região D.

A quarta e última região do dispositivo ciclônico gerador deescoamento anular apresenta a configuração construtiva do corpohidrodinâmico com uma conformação tronco esférica de transição, seguidapor uma formação predominantemente cônica decrescente, formando coma parede interna do tubo Venturi um canal de descarga.

Em um segundo aspecto a invenção opcionalmente apresenta umconjunto de elementos que reverte sua função principal de modo a atuarcomo hidrociclone de drenagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente em conjuntocom os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título deilustração, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, enos quais:

A Figura 1 retrata uma simulação, em desenho esquemático emcorte, do dispositivo ciclônico. Esta figura ilustra o comportamentoesperado dos fluidos no interior do dispositivo quando este é aplicadocomo gerador de um escoamento anular, bem como apresenta as quatroregiões distintas nas quais se divide o dispositivo.

A Figura 2 apresenta uma vista esquemática simples em corte dodispositivo ciclônico, bem como apresenta as quatro regiões distintas nasquais se divide o dispositivo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um novo dispositivo ciclônico paragerar padrão de escoamento anular em linhas de petróleo baseado nosprincípios que regem o funcionamento de um hidrociclone, porém,opcionalmente, pode equipar a área de produção atuando como umhidrociclone axial de drenagem. Esta proposta disponibiliza mais umaopção dentre os diversos acessórios geradores de escoamento anular jáexistentes no mercado, no entanto garantindo eficácia nos seusresultados, e uma redução drástica no custo de implementação eoperação, principalmente quando a aplicação se destinar à formação depadrões de escoamento anular.

Para um melhor entendimento das vantagens que o dispositivociclônico gerador de escoamento anular oferece, torna-se necessárioesclarecer alguns fundamentos teóricos relativos a hidrociclones.

Um hidrociclone é um dispositivo mecânico que converte a energiade um fluido em escoamento em movimento rotacional. Isto promove umaação centrífuga tal que qualquer dispersão no interior do fluido fica sujeitaa uma força de segregação, em virtude da diferença de massasespecíficas entre os componentes dispersos e contínuos. O movimentorotacional usualmente é produzido pela deflexão da corrente de umadireção axial para uma direção tangencial. Esta deflexão pode serproduzida pela injeção tangencial do escoamento em uma unidadecilíndrica, no caso de hidrociclones tangenciais, ou pela injeção axial doescoamento ao longo de palhetas conformadas para deslocar o fluido nadireção tangencial, no caso de hidrociclones axiais. Se a dispersão é maisdensa do que a fase contínua, a aceleração centrífuga induzida pefomovimento rotacional causa um movimento radial da dispersão no sentidoda parede (com relação à fase contínua).

No regime permanente estabelece-se um padrão de escoamento nointerior do hidrociclone com gradiente radial de concentração tal que,próximo à parede, forma-se uma mistura bifásica cuja fase contínua écomposta pelo fluido mais denso, e próximo ao eixo forma-se uma misturabifásica cuja fase contínua é composta pelo fluido menos denso. Umhidrociclone ideal geraria um padrão de escoamento perfeitamente anular,com a fase mais densa na periferia e a menos densa no centro.Alguns dos fatores que controlam o grau de separação atingido emum hidrociclone podem ser deduzidos de como se dá o balanço de forçassobre as partículas na direção radial do escoamento. Considerando-se umsistema ciclônico trabalhando como separador de uma mistura sólido-fluido e aplicando-se um balanço de forças sobre uma partícula sólida,classicamente conclui-se que a velocidade terminal da partícula na direçãoradial é diretamente proporcional à diferença de massas específicas entreas duas fases, ao quadrado do diâmetro da partícula, à aceleraçãocentrífuga do escoamento e inversamente proporcional à viscosidade dofluido.

A separação de líquidos imiscíveis repousa sobre os mesmosmecanismos dos sistemas sólido-fluido, mas tende a ser mais difícil já quea diferença de massas específicas entre as fases é geralmente muitomenor e as gotas são suscetíveis a quebrar nas condições de altadeformação do escoamento no interior dos hidrociclones, especialmentena entrada (para as mesmas condições operacionais, hidrociclones axiaisgeram menor turbulência na entrada do que hidrociclones tangenciais).Esse cenário é ainda mais adverso quando a fase contínua é mais viscosado que a fase dispersa, pois isto aumenta o arrasto sobre as gotas,diminuindo sua velocidade terminal de segregação.

Assim, identifica-se um conflito em que o aumento da aceleraçãocentrífuga para compensar tanto a baixa diferença de massas específicasentre as fases quanto à maior viscosidade da fase contínua também tendea promover as forças que causam a desintegração da gota (diminuição dodiâmetro).

A coalescência das gotas à montante do hidrociclone, por outrolado, pode influenciar positivamente na eficiência de separação de líquidosimiscíveis, pois tenderia a aumentar o diâmetro médio da partícula antesda mesma ser quebrada no campo turbulento do hidrociclone. Para queocorra coalescência entre duas ou mais partículas elas devem permanecerem contato durante tempo suficiente para que o filme líquido que separasuas interfaces seja drenado. Assim, facilita-se a coalescência garantindotempo de contato suficiente entre as gotas e/ou aumentando a fraçãomássica de gotas em contato.

Na prática, hidrociclones são capazes de produzir apenas uma faserelativamente pura em uma única passagem, e qual fase é essa dependeda magnitude relativa das vazões de descarga. Geralmente, maior purezaserá atingida na descarga da fase que é contínua na entrada dohidrociclone, sendo a descarga da outra fase composta de uma misturamais grosseira das duas fases. O fenômeno da coalescência sugere que ograu de pureza da descarga da mistura mais grosseira deve aumentar como aumento da concentração da fase dispersa na entrada do hidrociclone,com possível diminuição do grau de pureza na descarga da fase que écontínua na entrada do hidrociclone.

Resumindo, para uma dada mistura bifásica atingir a velocidade desegregação interessante em um hidrociclone em que a fase contínua émais viscosa que a dispersa significa, simultaneamente, aumentar odiâmetro médio das partículas na entrada do hidrociclone e aumentar aaceleração centrífuga do escoamento no interior do mesmo. O primeiroconsegue-se com o aumento da fração da fase dispersa no escoamento(equivalente à especificação do equipamento para valores da fração dafase dispersa acima de um mínimo recomendável), e o segundoconsegue-se com a otimização da geometria do hidrociclone e decondições operacionais.

Todos esses fatos foram considerados na concepção do dispositivociclônico da invenção para habilitá-lo a gerar um padrão de escoamentoanular em linhas de petróleo.

A Figura 1 apresenta uma vista em corte esquemática do dispositivociclônico gerador de escoamento anular (100), objeto da invenção. Servecomo base para ilustrar o comportamento dos fluidos no interior dodispositivo ciclônico, quando este é aplicado como formador de umescoamento anular.

O dispositivo ciclônico é composto basicamente de três elementos,combinados especificamente para produzir o efeito desejado, quandoconectado na tubulação de produção. São eles: um tubo Venturi (60), umcorpo hidrodinâmico (20) e um conjunto de palhetas (31) modificadoras dadireção do fluxo. Opcionalmente, pode-se prover um bocal de drenagem(50).

As geratrizes dos canais convergente-divergente do tubo Venturi(60) são projetadas de acordo com as necessidades específicas de cadaprojeto, tais como condições operacionais e propriedades físicas damistura bifásica.

O corpo hidrodinâmico (20) é constituído por uma peça única fixadacoaxialmente ao tubo Venturi (60), e que acompanha as geratrizes do ditotubo Venturi, oferecendo baixa resistência ao deslocamento do fluido nointerior do dispositivo.

As palhetas (31) modificadoras da direção do fluxo são instaladaspreferencialmente na superfície do corpo hidrodinâmico (20), dispostas demodo a transformar o movimento axial da massa líquida que penetra odispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100) em ummovimento helicoidal ao longo do seu eixo. As palhetas (31), assimconfiguradas, são fixadas, por exemplo, por meio de hastes delgadas (30),na parede do tubo Venturi (60) de modo a tornar o conjunto - corpohidrodinâmico (20) / palhetas (31) / tubo Venturi (60) - um todo solidário.

Esta Figura ainda revela a existência de quatro porções distintas: A,B1 C e D1 do dispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100),cada uma com características construtivas e funções distintas. Aoatravessá-lo, a mistura bifásica passa pelas seguintes etapascorrespondentes:

a) aceleração linear do escoamento;b) aceleração angular do escoamento e segregação das fases;

c) condução da camada de água à parede da tubulação;

d) estabilização do escoamento anular.

Por meio das Figuras 1 e 2 é possível verificar a configuração básicados elementos que compõem o dispositivo ciclônico gerador deescoamento anular (100), e melhor entender seu funcionamento.

A região A do dispositivo ciclônico gerador de escoamento anular(100) é composta por um bocal (10), que é acoplado diretamente a umalinha de transporte qualquer, e que tem o seu diâmetro interno compatívelcom a referida linha de transporte. Este segmento do dispositivo ciclônicogerador de escoamento anular (100) recebe a mistura bifásica de água eóleo, tendo como fase dispersa a água.

Coaxialmente alinhado e coincidente à extremidade do bocal (10), odispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100) é provido com aprimeira porção do corpo hidrodinâmico (20), que apresenta uma formaçãopredominantemente cônica crescente (21), e tem seu raio (R1) crescenteem direção ao interior do equipamento por um comprimento determinado(L1).

O fluido, que penetra o bocal (10) com uma vazão determinada pelomeio de bombeio empregado na linha de transporte, tem a velocidade deseus componentes acelerada linearmente em um canal acelerador (40),composto pela parede interna do bocal (10) e a superfície externa daprimeira parte predominantemente cônica crescente (21) do corpohidrodinâmico (20).

Nesta primeira etapa de percurso do fluido no interior do dispositivociclônico gerador de escoamento anular (100), a geratriz deste canalacelerador (40) deve ser suave, de modo a reduzir as perdas de pressão eminimizar o nível de turbulência na aceleração do escoamento, enquantopromove alguma coalescência às partículas de água.

A distância radial entre a parede interna do bocal (10) e o final destecanal acelerador (40) deve ser projetada de modo que, nesta regiãolimítrofe, a componente axial da velocidade da mistura seja a velocidadecrítica de entrada nas palhetas (31), elementos que modificam a direçãodo fluxo a fim de promover o efeito ciclônico desejado.

As palhetas (31) estão fixadas em uma seção tronco esférica (25) docorpo hidrodinâmico (20). Esta seção tronco esférica (25) realiza atransição da primeira parte predominantemente cônica crescente (21) dodito corpo hidrodinâmico e uma segunda parte com formatopredominantemente hiperbólico decrescente (22) do mesmo corpohidrodinâmico (20).

As palhetas (31) transformam o movimento axial da mistura bifásica,agora com suficiente energia cinética, em um movimento angular. Oescoamento, agora helicoidal, é direcionado ao longo de uma segundaparte com formato predominantemente hiperbólico decrescente (22) domesmo corpo hidrodinâmico (20), passando então a sofrer a atuação daconfiguração construtiva da região B do dispositivo ciclônico gerador deescoamento anular (100).

A aceleração angular resultante deste movimento helicoidal,diretamente proporcional ao quadrado da velocidade tangencial einversamente proporcional à distância radial desde o eixo até a parede,promove o surgimento de forças centrífugas que atuam no sentido deseparar a fase dispersa da fase contínua.

Sem maiores compromissos de preservar a integridade daspartículas de água dispersas (ou seja, admitindo-se quebra de gotas),pretende-se, nesta região, deslocar para a parede interna (11) dodispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100) parte da massade água dispersa na mistura bifásica original, de modo a formar na ditaparede interna (11) outra mistura bifásica, onde predomina a água.

O sucesso da segregação das fases nesta região está condicionadoà preservação, tanto quanto possível, da magnitude da aceleraçãoangular, e correspondente força centrífuga, da mistura bifásicaimediatamente após atravessar as palhetas (31) modificadoras da direçãodo fluxo.

No entanto, à medida que a mistura desloca-se ao longo do eixo dodispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100), a viscosidade doóleo atua no sentido de diminuir a velocidade tangencial do fluido e,conseqüentemente, a aceleração angular gerada pelo movimentohelicoidal, diminuindo a força centrífuga do escoamento e, portanto, aforça que gera a segregação das fases.

Para minimizar a taxa de decréscimo da aceleração angular àmedida que a mistura desloca-se ao longo do eixo deve-se diminuirconvenientemente, ao longo do comprimento (L2) da região B, a distânciaradial (R2) desde o eixo até a parede. Esta é a função do canalconvergente (41) na região B.

Deve ficar salientado que a segunda parte com formatopredominantemente hiperbólico decrescente (22) do corpo hidrodinâmico(20) tem duas funções principais:

1) minimizar as oscilações do escoamento na direção radial, quepodem comprometer a estabilização da camada de água que se forma naparede (11) do canal convergente (41), e;

2) diminuir a distância a ser percorrida pela fase dispersa até aparede (11).

No entanto, sua presença provoca a desvantagem de aumentar asperdas por fricção nesta região, que contribuem para a diminuição doesforço de giro. Assim, sua geratriz deve acompanhar a geratriz do canalconvergente (41) e seu perfil específico deve ser projetado observando aotimização dos parâmetros descritos acima.

A região B, onde ocorre à aceleração angular do escoamento, deveser projetada de modo que ao final do canal convergente (41) todo oesforço centrífugo gerado tenha sido absorvido na segregação das fases,e que a nova mistura bifásica estabelecida na parede (11) seja suficientepara a geração do padrão de escoamento anular.

A seguir, a região C apresenta uma configuração construtiva quefavorece a condução da camada de água já segregada à parede datubulação de produção, percorrendo a parede interna (12) do dispositivociclônico gerador de escoamento anular (100).

A camada de água próxima à parede (11) formada na região B deveser suavemente conduzida até atingir o final da parede interna (12) docanal de produção (42), ao mesmo tempo em que o fluxo deve serdesacelerado. Este propósito é alcançado pelo alinhamento da paredeinterna (12) com uma terceira parte do corpo hidrodinâmico (20)predominantemente hiperbólico crescente (23), constituindo o conjunto umcanal de produção (42) com um formato divergente suave.

O raio (R3) de formação da parede interna do canal de produção(42) será gradativamente aumentado ao longo de um comprimento (L3),até atingir um valor igual ao raio da tubulação a jusante do dispositivociclônico gerador de escoamento anular (100), mantendo este raiopermanente ao longo da próxima região D.

A camada de água próxima à parede (12) terá seu maior volumelogo no início do canal de produção (42), estando sujeita, a partir de então,unicamente às forças cisalhantes responsáveis por sua degradação.

Justamente neste ponto, opcionalmente, pode-se prover um bocalde drenagem (50) atravessando ao longo de todo o perímetro da parede(12), disposto justamente nesta posição para captar o maior volume deágua possível. Nesta configuração, o dispositivo ciclônico gerador deescoamento anular (100) tem sua função principal de gerador de umpadrão de escoamento anular revertida para atuar como hidrociclone dedrenagem da fase mais densa (desempenhando, na indústria do petróleo,a função de um hidrociclone "dewatering").

A geometria desse bocal de drenagem (50) é tal que a água escoaatravés de um canal (51) formado nas paredes da região C do dispositivociclônico gerador de escoamento anular (100), até que o fluxo sejadescarregado em uma câmara plena (52). Uma válvula (53) regula o fluxoatravés da câmara plena (52).

A função da dita câmara plena, de maior volume do que o canal(51), é amortecer o escoamento secundário no interior do bocal dedrenagem (50), minimizando a perturbação da integridade da camada deágua formada na parede (12). A inclinação do bocal de drenagem (50) emrelação à parede (12) também deve ser determinada para preservar aintegridade da camada lubrificante.

Esse bocal (50) pode atuar na drenagem de parte ou toda a camadade água formada na parede.

Uma das grandes vantagens da possibilidade de controle dadrenagem de parte da camada de água é prover o dispositivo ciclônicogerador de escoamento anular (100) com um meio de controle preciso daespessura ideal à manutenção do escoamento anular.

Por outro aspecto, a drenagem de toda a camada de águasignificaria a aplicação do dispositivo ciclônico gerador de escoamentoanular (100) como hidrociclone de drenagem para altos teores de águaproduzida (hidrociclone "dewatering"), tal qual a necessidade de drenagemapontada no pedido de patente BR 0500574-4. Isto representa outragrande vantagem da capacidade de reversibilidade do equipamento,possibilitando processar a drenagem de água produzida em qualquerponto de uma linha de transporte ou de processamento.

A quarta e última região do dispositivo ciclônico gerador deescoamento anular (100), região D, teve sua configuração construtivadesenvolvida para estabilizar ao máximo o escoamento anular gerado nasregiões anteriores.

Ao longo do canal de produção (42) da região C anterior, a camadade água próxima à parede (12) enfrenta gradientes adversos de pressão,principalmente pelas recirculações geradas devido ao prováveldescolamento da camada limite de óleo da superfície do corpohidrodinâmico (20). Tais gradientes adversos de pressão representamreais possibilidades de gerar turbulências desestabilizadoras do padrão deescoamento anular já obtido.

Para minimizar este fenômeno deve-se retardar ao máximo odescolamento da camada limite de óleo do corpo hidrodinâmico (20), atéque as recirculações geradas estejam suficientemente afastadas da regiãoda interface água/óleo, e sejam amortecidas pela própria viscosidade doóleo.

Esta é a função do corpo hidrodinâmico (20) entre os limites daregião D. Para isso, o dito corpo apresenta uma formação tronco esférica(25') de transição seguida por uma formação predominantemente cônicadecrescente (24), que tem seu raio (R4) decrescente em direção ao fim doequipamento por um comprimento determinado (L4), formando um canalde descarga (43).

Um dos principais fatores que viabiliza a proposta agoraapresentada é a eliminação de vários problemas, já citados anteriormente,durante o processo de transporte tradicional.

Um desses problemas é em relação à necessidade de sistemas debombeio e disponibilidade de água para formar um escoamento anular agrandes profundidades, o que atualmente representa um alto custo naoperação.

Outra vantagem inquestionável da invenção proposta é oequipamento ser isento de componentes móveis, além de ser totalmenteacoplável à rede de transporte, podendo ainda atuar opcionalmente comoum hidrociclone de drenagem.

A invenção foi aqui descrita com referências sendo feitas às suasconcretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro que a invenção nãoestá limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades natécnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podemser adotadas sem fugir ao conceito inventivo aqui descrito.

Claims (7)

1.-DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,composto basicamente de três elementos: um tubo Venturi (60), um corpohidrodinâmico (20) e um conjunto de palhetas (31) modificadoras dadireção do fluxo, caracterizado por o dito corpo hidrodinâmico (20) serconstituído por uma peça única fixada coaxialmente ao tubo Venturi (60), eacompanha as geratrizes do dito tubo Venturi; as palhetas (31)modificadoras da direção do fluxo estão fixadas em uma seção troncoesférica (25) do corpo hidrodinâmico (20); esta seção tronco esférica (25)realiza a transição de uma primeira parte predominantemente cônicacrescente (21) do dito corpo hidrodinâmico e uma segunda parte comformato predominantemente hiperbólico decrescente (22) do mesmo corpohidrodinâmico (20); o dito dispositivo ciclônico gerador de escoamentoanular (100) ainda apresenta quatro porções: A, B, C e D, cada uma comcaracterísticas construtivas e funções distintas; a região A é composta porum bocal (10); coaxialmente ao dito bocal (10), o dispositivo ciclônicogerador de escoamento anular (100) é coincidentemente provido com aprimeira porção (21) do corpo hidrodinâmico (20), que apresenta umaformação predominantemente cônica crescente, e tem seu raio (R1)crescente em direção ao interior do equipamento por um comprimentodeterminado (L1); um canal acelerador (40) é formado pela parede internado bocal (10) e a superfície externa da primeira parte predominantementecônica crescente (21) do corpo hidrodinâmico (20); a região B apresentaum canal convergente (41) formado pela parede interna do tubo Venturi(60) e a segunda parte (22) do corpo hidrodinâmico (20), com formatopredominantemente hiperbólico decrescente e dimensões suficientes paraque ao final do canal convergente (41) todo o esforço centrífugo geradotenha sido absorvido na segregação das fases; a região C formado peloalinhamento da parede interna (12) e uma terceira parte (23) do corpohidrodinâmico (20), com configuração predominantemente hiperbólicacrescente, constituindo o conjunto um canal de produção (42) com umformato divergente suave; o raio (R3) de formação da parede interna docanal de produção (42) será gradativamente aumentado ao longo de umcomprimento (L3), até atingir um valor igual ao raio da tubulação a jusantedo dispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100), mantendoeste raio permanente ao longo da próxima região D; a quarta e últimaregião do dispositivo ciclônico gerador de escoamento anular (100), regiãoD, apresenta a configuração construtiva do corpo hidrodinâmico (20) comuma formação tronco esférica (25') de transição seguida por umaformação predominantemente cônica decrescente (24), que tem seu raio(R4) decrescente em direção ao fim do equipamento por um comprimentodeterminado (L4), formando com a parede interna do tubo Venturi (60) umcanal de descarga (43).

2.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar quatroregiões A, B, C e D, cada uma com características construtivas distintasque produzem na mistura bifásica, ao atravessá-las, respectivamente:a) aceleração linear do escoamento;b) aceleração angular do escoamento e segregação das fases;c) condução da camada de água à parede da tubulação;d) estabilização do escoamento anular.

3.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar asgeratrizes dos canais (40), (41), (42) e (43) convergentes/divergentes dotubo Venturi (60) projetadas de acordo com as necessidades específicasoperacionais e propriedades físicas da mistura bifásica de cada projeto.

4.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentaropcionalmente uma configuração, que reverte sua função principal demodo a atuar como hidrociclone de drenagem.

5.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ser provido com umbocal de drenagem (50), formado nas paredes da região C, disposto aolongo de todo o perímetro da parede (12); o dito bocal de drenagem (50) éinterligado a um ou mais canais (51), que por sua vez se ligam a umacâmara plena (52); uma válvula (53) é provida na saída da câmara plena(52).

6.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o bocal de drenagem(50) apresentar uma inclinação em relação à parede (12) determinadapara preservar a integridade da camada lubrificante.

7.- DISPOSITIVO CICLÔNICO GERADOR DE ESCOAMENTO ANULAR,de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por opcionalmentepossibilitar o controle da drenagem de parte da camada de água, de modoa atuar como um meio de controle preciso da espessura ideal àmanutenção do escoamento anular.