BRPI0921670B1

BRPI0921670B1 - Aglutinador eletrostático, sistema de separação de fluido e método de aglutinação de um componente de fase dispersa em um fluido de processo

Info

Publication number: BRPI0921670B1
Application number: BRPI0921670-7A
Authority: BR
Inventors: Mohamed Reda Akdim; Govert L. Kruijtzer; Pavel Antsiferov
Original assignee: Fmc Technologies, Inc.
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2019-09-24
Also published as: CA2741534C; US9321055B2; AU2009313534A2; EP2352596B1; BRPI0921670A2; EP2352596A4; CN102202795A; CN102202795B; RU2567251C2; WO2010054074A1; BRPI0921812B1; US20120085230A1; CA2741534A1; AU2009313534B2; RU2011122607A; EP2346613B1; US20110253539A1; EP2352596A1; AU2009313534A1; BRPI0921812A2

Abstract

aglutinador eletrostático, sistema de separação de fluido e método de aglutinação de um componente de fase dispersa em um fluido de processo um aglutinador eletrostático inclui uma parede externa definindo 5 um percurso de fluxo para receber um fluido de processo compreendendo basicamente um gás, uma fonte de energia, e uma pluralidade de placas de eletrodo acopladas à fonte de energia para gerar um campo elétrico através do percurso de gás.

Description

AGLUTINADOR ELETROSTÁTICO, SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO E MÉTODO DE AGLUTINAÇÃO DE UM COMPONENTE DE FASE DISPERSA EM UM FLUIDO DE PROCESSO

Fundamentos

A presente matéria descrita se refere geralmente à separação de fluidos em uma corrente de processo e, mais particularmente, a um aglutinador eletrostático para aglutinar fluidos que são basicamente gás.

A separação de água de um líquido de hidrocarbono é um processo importante na indústria de produção de óleo. Em um regime dominado por óleo, pequenas gotas de água podem ocorrer na fase de óleo contínua devido ao cisalhamento na tubulação a montante, por exemplo. O tamanho da toa é um fator contribuinte importante para a velocidade da separação. Gotas de água pequenas no óleo separam lentamente do óleo em comparação com gotas maiores devido à imiscibilidade dos líquidos e às diferenças na massa específica.

Uma abordagem convencional para a separação de óleo e água faz uso da gravidade e exige maiores tempos de permanência dentro dos separadores. Maiores tempos de permanência são necessários para um desempenho de separação aceitável, e, portanto, essa abordagem não é adequada para uma aplicação em linha com altas taxas de fluxo. Outras técnicas que utilizam produtos químicos para quebrar as emulsões exigem remoção posterior de produtos químicos, aumentando, assim, o custo. Outras técnicas ainda que empregam aquecimento são menos eficientes na quebra das emulsões.

A separação de líquidos das correntes de fluido que são basicamente gás também é um processo importante na indústria. Em muitos casos, os gases com um alto valor econômico são obtidos contendo gotículas muito finas de líquidos. Exemplos podem ser gás natural ou muitos outros gases utilizados na indústria química, tal como cloro ou dióxido de enxofre. Além disso, na indústria de processo, vapores podem condensar parcialmente, o que também pode resultar em gás contendo gotículas de líquido finas, especialmente em aplicações de altas velocidades de gás (isso é, altas velocidades fornecem força significativa para fazer com que as gotículas se movam). Adicionalmente, qualquer obstáculo no percurso de fluxo pode gerar áreas de pressão alta e baixa, resultando em maior condensação no obstáculo em comparação com a aplicação de baixa velocidade de gás, onde as diferenças de pressão são muito menores.

Visto que essas gotículas podem corroer a tubulação e são prejudiciais para bombas e outro equipamento de processamento, as mesmas devem ser removidas antes do empacotamento ou transporte do gás comercial ou utilização do gás em uma indústria de processo. Adicionalmente, os consumidores desejam seus produtos o mais puros possível, e líquidos estranhos reduzem a qualidade desses gases. Na indústria petroquímica, especialmente offshore, onde o gás natural é obtido juntamente com água salgada e óleo, é benéPetição 870190053470, de 11/06/2019, pág. 35/60

2/13 fico se remover a água e/ou outros líquidos, o mais perto do poço possível. Um esforço significativo é realizado na secagem do gás natural para remoção do vapor de água para concentrações muito abaixo da saturação com absorvedores de água. No entanto, tais esforços podem ser ineficientes se o gás a ser secado contiver água líquida além de vapores.

As técnicas convencionais para a remoção de líquidos dos gases têm por objetivo tipicamente o aperfeiçoamento da separação tradicional de líquidos dos gases pela utilização de forças tipo gravitação. Uma técnica muito antiga é baseada na observação de que uma peça de tecido pendente na neblina coletará água da neblina, dessa forma, reduzindo a intensidade da neblina e fornecendo água. O tecido age como um centro de condensação para as gotículas e a gravitação irá, no caso da água, fazer com que o excesso de água flua de forma descendente. Essa técnica é a base para a separação de líquidos de gases utilizando um fio entrelaçado.

Outra tecnologia envolve o aumento das forças de gravidade para tornar a suspensão de gotículas de líquido mais instável no gás. As forças da gravidade podem ser aumentadas pela rotação do meio, o que resulta em uma força centrípeta de muitas vezes a gravidade normal. Dessa forma, a separação prossegue a uma taxa muitas vezes mais rápida do que sob a gravidade apenas, resultando e um aparelho muito menor.

Ainda assim, para operação em linha em grande escala ambas as tecnologias de fio entrelaçado e aceleradores apresentam suas desvantagens. Um entrelaçamento pode se tornar obstruído e exigir que as moléculas de gás sigam percursos complicados através do entrelaçamento, à custa de energia mecânica. O aumento das forças da gravidade pela rotação também exige energia mecânica que é geralmente retirada do gás a ser separado. Essa energia mecânica consumida resulta em uma queda de pressão, que aumenta o número necessário ou tamanho das bombas. Adicionalmente, ambas as técnicas exigem equipamento sensível que é vulnerável á erosão.

Essa seção desse documento deve introduzir vários aspectos da técnica que podem ser relacionados com vários aspectos da presente matéria reivindicada descrita e/ou reivindicada abaixo. Essa seção fornece informação de base para facilitar uma melhor compreensão dos vários aspectos da presente matéria reivindicada. Deve-se compreender que as declarações nessa seção desse documento devem ser lidas em vista de e não como admissões da técnica anterior.

A presente matéria reivindicada é direcionada à superação, ou pelo menos à redução dos efeitos de um ou mais dos problemas apresentados acima.

Breve Sumário

A seguir é apresentado um sumario simplificado da presente matéria descrita a fim de se fornecer uma compreensão básica de alguns aspectos da matéria descrita. Esse sumário não é uma visão geral exaustiva da presente matéria descrita. Não se pretende identiPetição 870190053470, de 11/06/2019, pág. 36/60

3/13 ficar elementos chave ou críticos da presente material descrita nem delinear o escopo da presente matéria descrita. Sua única finalidade é apresentar alguns conceitos de uma forma simplificada como uma introdução para a descrição mais detalhada que será discutida posteriormente.

Um aspecto da presente matéria descrita é observado em um aglutinador eletrostático. O aglutinador eletrostático inclui uma parede externa definindo um percurso de fluxo para receber um fluido de processo compreendendo basicamente um gás, uma fonte de energia, e uma pluralidade de placas de eletrodo acopladas à fonte de energia para gerar um campo elétrico através do percurso de fluxo.

Outro aspecto da presente matéria descrita é observado em um método para aglutinação de um componente de fase dispersa em um fluido de processo. Um percurso de fluxo para o recebimento de um fluido de processo compreendendo basicamente o gás é fornecido. O fluido de processo é passado através de um campo elétrico gerado por uma pluralidade de placas de eletrodo para aglutinar gotículas do componente de fase dispersa.

Breve Descrição das Várias Vistas dos Desenhos

A presente matéria descrita será doravante descrita com referência aos desenhos em anexo, onde referências numéricas similares denotam elementos similares, e:

A figura 1 é um diagrama simplificado de um sistema de separação de fluido de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente matéria;

A figura 2 é uma vista transversal simplificada de um aglutinador eletrostático no sistema da figura 1;

A figura 3 é um diagrama de um elemento de interrupção de fluxo que pode ser utilizado no aglutinador eletrostático da figura 2;

A figura 4 é um diagrama em bloco simplificado de um circuito de controle do aglutinador eletrostático da figura 1;

A figura 5 é um diagrama simplificado de um circuito positivo que pode ser empregado em um gerador AC no circuito de controle da figura 4;

A figura 6 é um diagrama em bloco simplificado de um circuito autogerador que pode ser empregado no circuito de controle das figuras 4 e 5;

A figura 7 é um diagrama em bloco simplificado de uma modalidade alternativa de um circuito de controle do aglutinador eletrostático da figura 1;

A figura 8 é um diagrama em bloco simplificado de um sistema de separação de fluido incorporando uma fonte de energia externa com um aglutinador eletrostático;

A figura 9 e a figura 10 são vistas transversais de uma modalidade alternativa de um aglutinador eletrostático com elementos isolantes intermediários dispostos entre as placas de eletrodo; e

As figuras 11 e 12 são vistas transversais de um aglutinador eletrostático de acordo

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4/13 com outra modalidade ilustrativa da presente invenção.

Enquanto a presente matéria descrita é suscetível a várias modificações e formas alternativas, as modalidades específicas da mesma foram ilustradas por meio de exemplo nos desenhos e são descritas aqui em detalhes. Deve-se compreender, no entanto, que a descrição das modalidades específicas não deve limitar a presente matéria descrita às formas particulares descritas, mas, ao contrário, a intenção é se cobrir todas as modificações, equivalências e alternativas que se encontrem dentro do espírito e escopo da presente matéria descrita como definida pelas reivindicações em anexo.

Descrição Detalhada

Uma ou mais modalidades específicas da presente matéria descrita serão descritas abaixo. Pretende-se especificamente que a presente matéria descrita não seja limitada às modalidades e ilustrações contidas aqui, mas inclua formas modificadas dessas modalidades incluindo partes das modalidades e combinações dos elementos de diferentes modalidades que se encontrem dentro do escopo das reivindicações a seguir. Deve-se apreciar que no desenvolvimento de qualquer implementação real, como em qualquer projeto de engenharia ou desenho, inúmeras decisões específicas de implementação devem ser tomadas para se alcançar os objetivos específicos dos projetistas, tal como conformidade às restrições relacionadas com sistema e com os negócios, que podem variar de uma implementação para outra. Ademais, deve-se apreciar que tal esforço de desenvolvimento deve ser complexo e demorado, mas, não obstante, seria uma rotina do desenho, fabricação para os versados na técnica tendo o beneficio dessa descrição. Nada nesse pedido é considerado crítico ou essencial para a presente matéria descrita a menos que explicitamente indicado como sendo crítico ou essencial.

A presente matéria descrita será agora descrita com referência às figuras em anexo. Várias estruturas, sistemas e dispositivos são apresentados de forma esquemática nos desenhos para fins de explicação apenas e de modo a não obscurecer a presente matéria descrita com detalhes que são bem conhecidos dos versados na técnica. Não obstante, os desenhos em anexo são incluídos para descrever e explicar os exemplos ilustrativos da presente matéria descrita. As palavras e frases utilizadas aqui devem ser compreendidas e interpretadas como possuindo um significado consistente com a compressão dessas palavras e frases pelos versados na técnica relevante. Nenhuma definição especial de um termo ou frase, isso é, uma definição que seja diferente do significado normal e costumeiro como compreendido pelos versados na técnica, deve ser implicada pela utilização consistente do termo ou frase. Até onde o termo ou frase deve ter um significado especial, isso é, um significado além do compreendido pelos versados na técnica, tal definição especial será expressamente apresentada na especificação de uma forma definida que forneça diretamente e sem equívocos a definição especial para o termo ou frase.

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5/13

Com referência agora aos desenhos, nos quais referências numéricas similares correspondem a componentes similares por todas as várias vistas e, especificamente, com referência à figura 1, a presente matéria descrita deve ser descrita no contexto de um sistema de separação de fluido 10. O sistema 10 inclui um aglutinador eletrostático 15 disposto a montante de um separador 20. O aglutinador eletrostático 15 é residente em uma corrente de fluido definida pela tubulação 25.

Para fins da discussão a seguir, uma corrente de fluido pode ser uma corrente basicamente de líquido de uma corrente basicamente de gás. Na modalidade ilustrada, o aglutinador eletrostático 15 opera para aumentar o tamanho das gotículas de líquido em um fluido de processo, tal como um fluido de hidrocarbono. Por exemplo, o líquido aglutinado pode ser água presente em uma corrente de hidrocarbono líquido ou uma corrente de gás (por exemplo, gás natural). Obviamente, o fluido particular fornecido para o aglutinador eletrostático 15 pode variar, e fluidos além dos fluidos de hidrocarbono podem ser processados. O líquido aglutinado a partir do fluido de processo também pode variar, com água sendo apenas um exemplo ilustrativo. Em outro exemplo, os líquidos podem ser separados dos gases de processo (por exemplo, cloro ou HCI). Os tamanhos das gotículas de água nas correntes de gás de cloro podem ser aumentados pelo aglutinador eletrostático 15 para remover de forma mais eficiente a água do cloro, antes de lidar com o vapor de água gasoso.

O separador 20 opera para remover pelo menos uma parte do líquido presente no fluido de processo e fornece uma saída de fluido de processo 30 e uma saída de líquido aglutinado 35. A construção e operação do aglutinador eletrostático 15 é descrita em maiores detalhes abaixo com relação às figuras 2 e 3. A aplicação da presente matéria não está limitada a qualquer modalidade em particular do separador 20. Tipos ilustrativos de separado incluem separadores horizontais/por gravidade e separadores por gravidade melhorados (por exemplo, tecnologia de separação com base em ciclone). Em algumas modalidades, o aglutinador eletrostático 15 e o separador 20 podem ser integrados em uma única unidade.

As estimativas e experiência da eletroaglutinação nos sistemas de líquido e líquido ilustram que o valor necessário do campo elétrico para produção de aglutinação em um sistema de líquido e gás deve estar na faixa de 10³-10⁴ V/cm. Valores típicos de campos elétricos, que causam a emissão automática de elétron (isso é, o único mecanismo de carregamento para as gotículas por campos eletrostáticos) estão na faixa de mais de 10⁷ V/cm, de modo que o campo elétrico acima não produza qualquer carga de gotículas.

Nos casos onde o fluido sendo processado pelo aglutinador eletrostático 15 é basicamente gás, é possível se gerar um campo elétrico através de um gás devido ao fato de os gases serem bons isolantes. Em tal campo elétrico, as partículas carregadas são atraídas para uma das placas de eletrodo 45. As partículas não carregadas serão polarizadas, e devido à interação de dipolo com dipolo, uma força de atração entre as mesmas surgirá, en

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6/13 quanto permanecem não atraídas pelas placas de eletrodo 45. As forças geradas pelo campo elétrico no aglutinador 15 são muito fracas para ionizar as partículas livres.

Apesar de essa descrição ilustrar a separação da água de um fluido de hidrocarbono, o aglutinador eletrostático 15 pode ser aplicado a aplicações com outras emulsões onde a resistência específica da fase contínua é maior do que cerca de 10⁷ Ohm * m e onde a permeabilidade elétrica das fases contínua e dispersa são diferentes. Por exemplo, os tamanhos das gotículas de água nas correntes de gás de hidrocarbono podem ser aumentados pelo aglutinador eletrostático 15 para secar de forma mais eficiente o gás. Em geral, emulsões mais condutoras podem exigir maiores frequências de voltagem aplicada.

Em geral, o aglutinador eletrostático 15 é mais eficiente para causar a aglutinação quando o corte de água é de pelo menos cerca de 2%. Essa quantidade pode variar dependendo do fluido de processo em particular e da taxa de fluxo. Em casos nos quais o corte de água do fluido de processo é inferior a um valor eficiente, uma porta de injeção de água 37 pode ser disposta a montante do aglutinador eletrostático 15 para aumentar o teor de água do fluido de processo antes da aglutinação e separação.

A figura 2 ilustra uma vista transversal do aglutinador eletrostático 15. Na modalidade ilustrada, o diâmetro de uma parede externa 40 do aglutinador eletrostático 15 corresponde aproximadamente ao diâmetro da tubulação 25 na qual é instalado para fornecer uma disposição em linha. O fluido passando através da tubulação 25 passa através do aglutinador eletrostático 15 substancialmente na mesma taxa de fluxo. Uma pluralidade de placas de eletrodo 45 é fornecida no aglutinador eletrostático 15 através do qual o fluido percorre. Em algumas modalidades, elementos de obstrução 52 podem ser fornecidos nas áreas onde o campo elétrico é gerado para garantir a exposição de todo o fluido aos campos elétricos.

O campo eletrostático gerado pelas placas de eletrodo 45 polariza as gotículas de líquido na corrente de processo para neutralizar localmente o campo eletrostático. As gotículas polarizadas não são atraídas pelo campo homogêneo para um dos eletrodos 45 visto que a carga líquida da gotícula é igual a zero. As gotículas polarizadas sentem o gradiente do campo eletrostático na faixa curta de outras gotículas. Dessa forma, as gotículas são atraídas uma para a outra.

A geometria particular das placas de eletrodo 45 (por exemplo, disposição, número, espessura, etc.) podem variar dependendo dos fatores associados com a implementação em particular tal como um fluido de processo, diâmetro de tubulação, pressão de fluido, taxa de fluido esperada, etc. Por exemplo, o espaçamento das placas de eletrodo 45 pode variar dependendo do fluido processado. As placas de eletrodo 45 em um aglutinador de gás podem ser menos espaçadas do que em um aglutinador líquido. Esse espaçamento reduzido pode ser alcançado pela redução do diâmetro do aglutinador 15 em comparação com o da tubulação 25 para permitir que o mesmo número de placas de eletrodo 45 seja utilizado,

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7/13 mas menos espaçados. Alternativamente, o diâmetro pode não ser reduzido, mas o número de placas de eletrodo 45 pode ser aumentado. Em algumas aplicações, placas de eletrodo longas 45 possuindo um comprimento várias vezes o diâmetro do aglutinador eletrostático 15 podem ser utilizadas para aumentar o tempo de permanência ou para reduzir a intensidade de campo necessária.

Como ilustrado na figura 2, a superfície interna da parede externa 40 e as placas de eletrodo 45 são revestidos com uma camada protetora 50. Geralmente, a camada protetora 50 protege as placas de eletrodo 45 dos efeitos de erosão e corrosão do fluido de processo (por exemplo, devido às partículas ou produtos químicos no fluido de processo) e também pode servir como um isolante elétrico para reduzir a probabilidade de formação de arco entre as placas de eletrodo adjacentes 45. Os materiais ilustrativos para a camada protetora 50 incluem epóxi, cerâmicas eletricamente não condutoras, revestimentos plásticos, etc. formados utilizando os processos tal como moldagem, deposição de vapor químico, deposição de vapor físico, sinterização, etc. Alternativamente, as camadas de isolamento elétrico podem ser combinadas com outras camadas protetoras nas superfícies externas para corresponder às exigências mecânicas da aplicação (por exemplo, resistência à abrasão ou resistência à corrosão). Por exemplo, um revestimento epóxi isolante pode ser coberto por um revestimento condutor de cerâmica. O revestimento resistente à abrasão e/ou isolante particular selecionado pode variar dependendo das exigências mecânicas, custo, e propriedades elétricas de material (por exemplo, constante dielétrica).

As placas de eletrodo 45 podem ser dimensionadas e dispostas para fornecer um número Reynolds relativamente alto, fornecendo, assim, um fluxo turbulento do fluido de processo através do aglutinador eletrostático 15. O fluxo turbulento faz com que a velocidade do fluido de processo varie de forma aleatória, causando um aumento nos movimentos em pequena escala do fluido. Esse aumento em movimento torna mais provável que as gotículas de água na corrente de processo se aproximem uma da outra. Nessa proximidade, a interação dipolar induzida pelo campo eletrostático descrito acima será mais forte, aumentando, assim, a aglutinação.

Em uma modalidade ilustrada na figura 3, um ou mais elementos de interrupção de fluxo 52 podem ser fornecidos no aglutinador eletrostático 15 para melhorar a micro turbulência entre as placas de eletrodo 45. O elemento de interrupção de fluxo 52 pode ser fabricado a partir de um material eletricamente isolante, tal como uma cerâmica, um plástico, ou outro material sólido eletricamente não condutor. O elemento de interrupção de fluxo 52 inclui uma pluralidade de pilares 53 interconectados por elementos cruzados 54 em uma disposição de grade. A grade interrompe o fluxo de fluido de processo através do aglutinador eletrostático 15 para aumentar a turbulência. O elemento de interrupção de fluxo 52 pode ser posicionado entre placas de eletrodo adjacentes 45. O dimensionamento do elemento de

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8/13 interrupção de fluxo 52 pode variar dependendo da disposição e do dimensionamento particulares das placas de eletrodo 45. Os elementos de interrupção de fluxo 52 podem não ser exigidos nas implementações onde a taxa de fluxo e o número Reynolds são suficientemente altos para fornecer um fluxo turbulento.

Em uma aplicação onde a corrente de fluido exibe um alto grau de fluxo laminar, a parte central da corrente terá uma velocidade muito maior do que a parte ao longo das paredes. Essa característica de fluxo pode resultar em um tempo de residência curto entre as placas de eletrodo 45. Em adição a ou no lugar dos elementos de interrupção de fluxo 52 para induzir turbulência, os guias de fluxo podem ser fornecidos para tornar a distribuição de fluxo através das placas de eletrodo 45 mais homogênea em termos de kg/hora, resultando em um uso melhorado do aglutinador eletrostático 15.

Com referência à figura 4, um diagrama em bloco simplificado de um circuito de controle 55 do aglutinador eletrostático 15 é fornecido. As propriedades do fluido de processo afetam as características elétricas líquidas do aglutinador eletrostático 15. Dessa forma, o aglutinador eletrostático 15 é modelado como um capacitor 60 em paralelo com um resistor 62 representando a capacitância e resistência líquidas definidas pela disposição das placas de eletrodo 45 e o fluido de processo passando através das mesmas. O circuito de controle 55 inclui um indutor 64 e um gerador de corrente alternada (AC) 66. Coletivamente, o indutor 64 e o capacitor 60 e o resistor 62 que modelam o aglutinador eletrostático 15 e o fluido de processo definem um circuito ressonante 68. Em geral, o gerador AC 66 mantém sua frequência de saída na frequência ressonante do circuito ressonante 68 para minimizar a corrente necessária para acionar o aglutinador eletrostático 15. O gerador AC 66 gera uma forma de onda sinusoidal de frequência variável que é aplicada às placas de eletrodo 45 para promover a aglutinação no fluido de processo.

Em uma modalidade, o gerador AC 66 pode ser um circuito de geração automática. Como conhecidos dos versados na técnica, um gerador automático é geralmente um amplificador com grande amplificação possuindo uma saída conectada à entrada, comumente referida como um circuito positivo. O circuito positivo inclui um circuito ressonante que define a frequência de oscilação. Nessa modalidade, o circuito ressonante 68 é acoplado ao circuito positivo do gerador AC 66, fornecendo, assim, o ajuste de frequência passiva do gerador AC 66 correspondente à frequência ressonante do circuito ressonante 68. A figura 5 ilustra como o circuito ressonante 68 é incorporado no circuito positivo do gerador AC 66 através de um comparador 85. Devido ao retorno positivo, o gerador AC 66 opera na frequência ressonante do circuito ressonante 68. Visto que o indutor 64 é fixo, a frequência é ajustada de acordo com as propriedades variáveis do fluido de processo e da capacitância resultante do aglutinador eletrostático 15. À medida que as propriedades do fluido mudam com o tempo, o gerador AC 66 mantém automaticamente sua saída na frequência ressonante variável, miPetição 870190053470, de 11/06/2019, pág. 42/60

9/13 nimizando, assim, as exigências de corrente necessárias para o acionamento do aglutinante eletrostático 15.

A figura 6 é um diagrama em bloco simplificado do circuito de autogeração que pode ser empregado para o gerador AC 66. O circuito de autogeração inclui uma unidade de energia 70 que recebe uma voltagem de entrada AC (por exemplo, 220V, 50 Hz) e gera voltagens de saída DC (por exemplo, +300V, +50V, +12V, +9V, etc.) para energizar as outras unidades do circuito. Um gerador de acionamento 72 produz pulsos de acionamento em frequência dupla. Um condicionador de sinal 74 produz sinais para uma unidade de ajuste de fase de frequência 76 e para comutar as portas dos transistores em um amplificador de energia 78. O amplificador de energia 78 é um amplificador de empurre e puxe. A unidade de ajuste de fase de frequência 76 compara as fases do gerador de acionamento 72 e um sinal de saída e ajusta a frequência do gerador de acionamento 72 para alcançar a ressonância com características de carga variável. Um transformador de ressonância 80 forma um sinal de saída sinusoidal com uma amplitude de até 3 kB, por exemplo, para energizar o aglutinador eletrostático 15. Um percurso de retorno positivo existe entre o transformador de ressonância 80 e a unidade de ajuste de fase de frequência.

Uma unidade de controle 82 controla a frequência e amplitude do sinal de saída, e em resposta a uma condição que excede os limites definidos, configura o gerador AC 66 em um modo seguro (isso é, menos energia). Uma unidade indicadora 84 indica os parâmetros do sinal de saída. Uma interface 86 pode ser fornecida para conectar o gerador AC 66 a um dispositivo de computação externo 88, tal como um computador pessoal, um controlador ou algum outro dispositivo de computação de finalidade geral ou especial para permitir o rastreamento de parâmetros de dispositivo, tal como frequência, amplitude e energia consumida, ou para permitir a intervenção do operador ou configuração de sistema.

A figura 7 ilustra uma modalidade alternativa de um circuito de controle 90, onde um gerador AC 95 é um gerador de sinal que envia um sinal de frequência configurável. Por exemplo, o gerador AC 95 pode ser um oscilador controlado por voltagem. A voltagem em um resistor 100 representa uma medida da corrente de saída do circuito de controle 90 para acionar o aglutinador eletrostático 15. O gerador AC 95 mede a corrente de saída e ajusta automaticamente sua frequência de saída para minimizar o valor da voltagem medida, que corresponde a uma condição de ressonância. Dessa forma, o gerador AC 95 ajusta de forma ativa sua frequência de saída com base na corrente de acionamento medida para obtenção da frequência ressonante do circuito ressonante 68.

Geralmente, a frequência da oscilação é acima de 1kHz devido ao tempo de relaxamento associado com a maior parte dos tipos de óleo cru, que está na faixa de 0,02 a 0,003 segundos. Na modalidade ilustrada, é considerado que a capacitando é de cerca de 0,1 liF e a frequência nominal é de cerca de 10 kHz, o que fornece a indutância de cerca de

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3mH. Obviamente, o indutor 64 pode ser dimensionado diferentemente com base nas considerações diferentes sobre o fluido de processo e geometria do aglutinador eletrostático 15. O valor Q correspondente à condição de ressonância que resulta na diminuição da corrente de acionamento é fornecido por:

Q = 2oL/R

O monitoramento da frequência do circuito de controle 55, 90 fornece informação referente à capacitância do aglutinador eletrostático 15, e, portanto, o corte de água. O consumo de energia do aglutinador eletrostático 15 é definido pela resistência do fluido de processo. A resistência elétrica do fluido de processo e o valor do corte de água caracterizam a qualidade do fluido de processo sendo processado. A resistência pode fornecer informação referente à salinidade do fluido de processo. O corte de água do fluido de processo entrando no aglutinador eletrostático 15 define de forma efetiva o corte de água final depois do separador 20. Dessa forma, pela utilização do corte de água e da informação de resistência, as ferramentas de diagnóstico podem ser definidas para caracterizar o fluido de processo.

Em algumas modalidades, a eficiência do aglutinador pode ser melhorada pelo fornecimento de uma fonte de energia externa que opera em conjunto com o aglutinador eletrostático 15. Como ilustrado na figura 8, a fonte de energia 105 pode ser acoplada ao aglutinador eletrostático 15. Fontes de energia ilustrativas incluem dispositivos de micro-ondas ou ultrassom. A exposição do fluido de processo a um campo de energia de micro-ondas ou ultrassom pode aumentar a aglutinação fornecida pelo aglutinador eletrostático 15. A necessidade de se ter uma fonte de energia externa 105 pode depender das características tal como tamanho do aglutinador eletrostático 15, as características do fluido de processo, da taxa de fluxo, etc. A informação coletada da frequência ressonante do circuito ressonante 68, que define as características do fluido de processo, pode ser utilizada para sintonizar a fonte de energia externa 105. Por exemplo, experiências podem ser conduzidas para identificar a frequência ideal ou características de amplitude dos sinais de micro-ondas ou ultrassom com base nas características do fluido de processo. Uma correlação entre a frequência ressonante determinada e as características de fonte de energia externa podem então ser determinadas para aumentar a eficiência da fonte de energia externa 105.

Em outra modalidade ilustrada na figura 9, um aglutinador eletrostático 110 pode ser fornecido com um elemento isolante intermediário 115 disposto entre as placas de eletrodo 120a, 120b para definir um primeiro percurso de fluxo entre o elemento isolante 115 e a primeira placa de eletrodo 120a e um segundo percurso de fluxo entre o elemento isolante 115 e a segunda placa de eletrodo 120b. Um ou mais elementos isolantes 115 podem ser dispostos entre o par de placas de eletrodo 120a, 120b para definir os percursos de fluxo adicionais entre as mesmas (por exemplo, um terceiro percurso de fluxo entre os elementos isolantes adjacentes 115). Apesar de apenas duas placas de eletrodo 120a, 120b serem

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11/13 ilustradas, diferentes configurações podem ser utilizadas, incluindo a disposição ilustrada na figura 2, onde os eletrodos de placa paralela são utilizados. Em tal caso, um ou mais elementos isolantes 115 podem ser dispostos entre cada par de placas de eletrodo 45. Obviamente, outras geometrias também podem ser utilizadas.

Para fins de ilustração, a placa de eletrodo 120a é aterrada, e a placa de eletrodo 120b é acoplada a uma fonte de energia 125, tal como uma das fontes de energia 66, 95 descritas acima, ou uma fonte de energia diferente. Tipicamente, o eletrodo 120b é revestido com uma camada protetora 130 para proteger a placa de eletrodo 120b contra efeitos de erosão e corrosão do fluido de processo (por exemplo, devido às partículas ou produtos químicos no fluido de processo). A camada protetora 130 também pode servir como um isolante elétrico para redução da probabilidade de formação de arco. A placa de eletrodo aterrada 120a pode ou não ter uma camada protetora 130. O circuito ressonante 68 descrito acima pode ou não ser implementado no aglutinador eletrostático 110.

O elemento isolante 115 disposto entre as duas placas de eletrodo 120a, 120b aumenta a eficiência da aglutinação. A aglutinação de gotículas em outro meio se baseia na polarização da condução de partículas líquidas em um campo elétrico. Devido ao campo alto necessário e a preferência de não se utilizar voltagens muito altas, os eletrodos são normalmente dispostos próximos um do outro. Sob circunstâncias normais, as gotículas de água que por acaso estão em linha com o campo elétrico, serão alinhadas em uma corrente de gotículas de água que não aglutinam efetivamente devido à atração de uma gotícula no meio da corrente para um lado ser igual a para o outro lado, negando a atração, enquanto as gotículas no eletrodo não liberam. Apenas as gotículas em extremidades livres se moverão e, dessa forma, aglutinarão. Essa corrente de gotículas reduz a resistência do campo, e, portanto, a aglutinação, o que reduz a eficiência da aglutinação. Em alguns casos, onde o campo alto e longas correntes estão presentes, a produção de fagulhas por ocorrer. Quanto maior a concentração de água, mais gotículas estarão presentes, e, portanto, maior a influência desse efeito. O elemento isolante 115 tende a quebrar essas correntes ou até mesmo impedir que as mesmas se formem, resultando em uma maior eficiência de aglutinação.

O elemento isolante 115 pode ser hidrofílico (isso é, que atrai água) ou hidrofóbico (isso é, que repele água). As forças de atração entre a água e uma superfície hidrofílica são relativamente pequenas em comparação com as encontradas nos campos elétricos. A constante dielétrica do material utilizado para o elemento isolante 115 pode variar dependendo da implementação em particular. Se um isolante com constante dielétrica alta (isso é, maior do que o meio circundante) for utilizado, a influência que as gotículas sofrem uma da outra, mesmo considerando o contato entre as gotículas e a superfície do isolador, será menor do que a espessura poderia prever. Portanto, em situações nas quais não muito espaço está

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12/13 presente entre os eletrodos 120a, 120b, um isolante constante dielétrico alto e fino pode ser utilizado. Por outro lado, devido às exigências mecânicas, o elemento isolante 115 pode, em alguns casos, ser bem espesso, o que resultaria em uma preferência por um isolante com uma constante dielétrica baixa. Onde um material com uma constante dielétrica alta é combinado com um com uma constante baixa em um campo elétrico, a resistência do campo elétrico concentrará no material de constante dielétrica alta. Um material de constante dielétrica inferior para o elemento isolante 115 suportará o objetivo da construção do campo elétrico através do meio a ser aglutinado pela redução dos campos no elemento isolante 115, permitindo, dessa forma, uma menor voltagem aplicada e resultando em operações mais seguras com menor consumo de energia.

O fornecimento de múltiplos elementos isolantes 115 entre as placas de eletrodo 120a, 120b como ilustrado na figura 10, tende a aumentar ainda mais a eficiência da aglutinação. A região entre os elementos isolantes 115 estará livre de correntes de gotículas de água, que foram consideradas responsáveis pela redução da eficiência. Pela colocação dos elementos isolantes 115 perto dos eletrodos 120a, 120b (isso é, sem misturar com os mesmos, o que reduziria a função isolante), uma alta eficiência pode ser obtida.

Em contraste com a aglutinação elétrica da água em sistemas de água em óleo, a condutividade dos gases em muito inferior à condutividade do óleo cru. Essas circunstâncias possibilitam o uso de uma fonte de energia de voltagem DC para criar um campo elétrico no meio de gás. Em algumas aplicações, o aglutinador eletrostático 15 pode ser empregado em uma aplicação de gás e uma fonte de energia AC de ressonância controlada pode ser utilizada.

A figura 11 ilustra uma modalidade alternativa de um aglutinador eletrostático 150 que pode ser empregado em uma aplicação onde o fluido de processo é basicamente gás. O aglutinador eletrostático 150 inclui uma parede externa 155 e eletrodos externos 160 acoplados a uma fonte de energia 162. A parede externa pode ser um material eletricamente isolante. Um encerramento 170 pode ser fornecido em torno dos eletrodos externos 160 para fins de proteção. Na modalidade ilustrada, a fonte de energia 162 é uma fonte de energia DC, no entanto, uma fonte AC também pode ser utilizada. O uso de eletrodos externos 160 permite que o campo elétrico seja gerado enquanto se minimiza a obstrução do fluxo.

Em outra modalidade adicional ilustrada na figura 12, o aglutinador eletrostático 150 descrito com referência à figura 11 pode ser fornecido com um ou mais elementos eletricamente condutores 175 dispostos entre os eletrodos externos 160 para aumentar a resistência do campo elétrico. Os elementos condutores 175 não são conectados a qualquer fonte de energia, de modo que não operam como eletrodos. Os elementos condutores 175 podem ser revestidos para fornecer as características necessárias, como descrito acima com relação às placas de eletrodo 45. Elementos condutores intercalados 175 podem ser utilizados

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13/13 também na modalidade ilustrada na figura 2.

Apesar de os aglutinadores eletrostáticos 15, 110, 150 serem ilustrados e descritos aqui como sendo dispositivos em linha, é contemplado que as técnicas descritas aqui podem ser aplicadas a outros tipos de aglutinadores, tal como aglutinadores com base em re5 cipiente.

O uso de uma força eletrostática para aglutinar gotículas de líquido em um fluxo de fluido permite a remoção a jusante mais eficiente de gotículas, reduzindo, assim, as demandas no equipamento de remoção e reduzindo seu custo ou aumentando a quantidade de líquido que pode ser removida, fornecendo, assim, um fluido processado de maior pureza.

As modalidades particulares descritas acima são ilustrativas apenas, como a presente matéria descrita pode ser modificada e praticada de formas diferentes porém equivalentes aparentes aos versados na técnica possuindo o beneficio dos ensinamentos apresentados aqui. Adicionalmente, nenhuma limitação é pretendida para os detalhes de construção ou desenho ilustrados aqui, além do que foi descrito nas reivindicações abaixo. É, portanto, evidente que as modalidades em particular descritas acima podem ser alteradas ou modificadas e todas as variações são consideradas dentro do escopo e espírito da presente matéria descrita. De acordo, a proteção buscada aqui é como apresentado nas reivindicações abaixo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), CARACTERIZADO pelo fato de compreender:

uma parede externa (40) definindo um percurso de fluxo para o recebimento de um fluido de processo compreendendo basicamente um gás;

uma fonte de energia (66, 95, 125, 162);

uma pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) acopladas à fonte de energia (66, 95, 125, 162) para gerar um campo elétrico através do percurso de fluxo, onde cada uma dentre a pluralidade de placas de eletrodo é revestida com um material isolante (130); e pelo menos um elemento isolante (115) disposto entre duas placas de eletrodos (120A, 120B, 160) adjacentes.
2. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a fonte de energia (162) compreender uma fonte de energia de corrente direta.
3. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente um circuito de controle (55, 90) compreendendo:

um indutor (64) acoplado em paralelo à pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160), o indutor (64) e a pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) definindo um circuito (68) ressonante; e um gerador de sinal (95) acoplado à fonte de energia (66, 95, 125) e a pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) e operável para aplicar um sinal de corrente alternada à pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) em uma frequência que corresponde a uma frequência ressonante do circuito ressonante (68) na presença do fluido de processo.
4. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a parede externa (40, 155) definir um tubo possuindo uma seção transversal circular.
5. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B) serem dispostas dentro do percurso de fluxo.
6. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) serem dispostas fora da parede externa (40, 155).
7. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de a parede externa (40, 155) compreender um material eletri-

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2/3 camente isolante.
8. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um elemento condutor (175) não acoplado á fonte de energia disposta entre duas placas de eletrodo (160) adjacentes.
9. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um elemento de interrupção de fluxo (52) disposto adjacente a pelo menos uma das placas de eletrodo (120A, 120B).
10. Aglutinador eletrostático (15, 110, 150), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a parede externa (40, 155) definir um recipiente.
11. Sistema de separação de fluido (10), CARACTERIZADO pelo fato de compreender:

uma tubulação (25) definindo um percurso de fluxo para receber um fluido de processo;

um aglutinador eletrostático (15, 110, 150) conforme definido na reivindicação 1, acoplado à tubulação (25); e um separador (20) acoplado ao percurso de fluxo a jusante do aglutinador eletrostático (15, 110, 150) e operável para separar um componente de fase dispersa do fluido de processo.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de o separador ser integrado ao aglutinador eletrostático (15, 110, 150).
13. Método de aglutinação de um componente de fase dispersa em um fluido de processo, CARACTERIZADO pelo fato de ser realizado por um aglutinador eletrostático (15, 110, 150), conforme definido na reivindicação 1, o método compreendendo:

fornecer um percurso de fluxo para receber um fluido de processo, onde o fluido de processo compreende basicamente gás;

passar o fluido de processo através de um campo elétrico gerado por uma pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) conectado a uma fonte de energia (66, 95, 125, 162), para aglutinar gotículas do componente de fase dispersa, em que cada uma da pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) é revestida com um material isolante (130), e pelo menos um elemento isolante (115) é disposto entre duas placas de eletrodos (120A, 120B, 160) adjacentes.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente gerar o campo elétrico utilizando um sinal de corrente direta aplicado às placas de eletrodo (120A, 120B, 160).
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de

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3/3 compreender adicionalmente:

fornecer um indutor (64) acoplado em paralelo à pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160), o indutor (64) e a pluralidade de placas de eletrodo (120A, 120B, 160) definindo um circuito ressonante (68); e

5 aplicar um sinal de corrente alternada à pluralidade de placas de eletrodo (120A,

120B, 160) em uma frequência correspondente a uma frequência ressonante do circuito ressonante (68) na presença de fluido de processo.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de a aplicação de sinal de corrente alternada compreender:

10 perceber uma corrente do sinal de corrente alternada; e alterar a frequência para minimizar a corrente percebida.