BRPI0924852B1 - Hidrociclone para separação de fluidos - Google Patents

Abstract

hidrociclone para separação de fluidos. é relatado na presente invenção um separador tipo hidrociclone que apresenta pequenas dimensões e possui alta capacidade de processamento de fluido devido a características construtivas introduzidas na alimentação, no orifício de saída superior (overflow) e no orifício de saída inferior (underflow). a alimentação apresenta uma configuração que compreende dois canais (18) iguais diametralmente opostos e curvos onde a área de seção transversal diminui gradativamente de modo a acelerar de forma suave a corrente de fluido bifásico. a possibilidade de adaptação de peças intercambiáveis (2, 6) no orifício de saída superior (13) permite a mudança do diâmetro deste orifício de saída e, desta forma, altera as características hidrodinâmicas do equipamento e amplia a capacidade de um mesmo equipamento atingir faixas operacionais adequadas a fluxo de fluidos que apresentem alto teor de óleo, médio teor de óleo e baixo teor de óleo. a presença de uma válvula de ajuste contínuo da área do orifício da saída inferior (7) permite ampliar a faixa operacional do hidrociclone, mesmo em condições de elevada perda de carga e contrapressão na saída superior, onde haveria tendência de refluxo nessa saída.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra-se no campo dos equipamentos para a separação de fluidos que apresentem mais de uma fase, mais 5 particularmente, fluidos de produção em poços produtores de petróleo.

Mais especificamente, o fluido em questão é bifásico e substancialmente composto por óleo e água.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A forma mais convencional para realizar o processamento primário 10 de correntes bifásicas e com elevados teores de óleo envolve a passagem desta corrente por equipamentos chamados de separadores gravitacionais.

Uma configuração típica para este tipo de equipamento compreende um tanque relativamente longo e fino, com uma canalização de entrada 15 localizada na parte superior de uma de suas extremidades pela qual a mistura bifásica entra em um fluxo contínuo. Ao longo do percurso pelo comprimento do tanque as fases separam-se devido à diferença de suas gravidades específicas e, ao chegar à outra extremidade do tanque, estas fases são retiradas da seguinte forma: a fase leve por uma primeira 20 canalização de saída na parte superior do tanque e, a fase pesada, por uma segunda canalização de saída na parte inferior do tanque.

Para um caso onde haja necessidade de processamento de óleos pesados, estes equipamentos para serem eficientes, precisam ter grandes dimensões, e ocupam grandes espaços que poderiam ser mais bem 25 aproveitados por outros implementos. Para o caso de exploração de petróleo no oceano, a situação se agrava diante do espaço relativamente pequeno dos conveses das unidades flutuantes de produção, o que pode trazer risco de uma possível sobrecarga.

Os separadores gravitacionais também não são adequados para 30 utilização em uma operação de separação submarina em águas profundas. Devido à pressão externa muito elevada, os cascos desses tanques precisariam ter uma espessura muito grande, o que gera problemas quanto à construção e instalação devido ao peso muito grande que o equipamento teria.

Os hidrociclones são equipamentos de separação originalmente designados para separações do tipo sólido/líquido, no entanto têm sido aplicados em diferentes ramos da indústria e têm se mostrado eficientes em muitas aplicações em que é requerida a separação líquido/líquido.

O princípio geral de funcionamento de um hidrociclone é a aplicação 10 de uma alta velocidade às duas substâncias misturadas de forma a separá-las em virtude da diferença de valor entre suas gravidades específicas.

Em termos de configuração do equipamento, este recai geralmente em um perfil substancialmente cônico, de pequeno diâmetro em uma 15 extremidade de entrada de fluido, afunilando até uma extremidade de saída da fase pesada separada, de diâmetro ainda menor. O perfil substancialmente cônico a alimentação tangencial à parede são os responsáveis por providenciar as velocidades necessárias à separação.

Para que a velocidade e a força centrífuga necessárias para a 20 separação de duas substâncias sejam produzidas, os hidrociclones tradicionais utilizam uma abertura de entrada de fluido tangencial à seção circular do perfil substancialmente cônico do corpo do hidrociclone.

Este tipo de alimentação tangencial atua, praticamente, como um jato de fluido que é lançado contra uma parede curva. Ao completar uma 25 primeira volta em velocidade, este fluido encontra novamente a corrente de entrada e provoca uma turbulência muito forte que resulta em dispersão de fases, a qual se torna mais grave à medida que o fluxo de fluido apresenta grande teor de fase oleosa.

A região alinhada ao eixo longitudinal de um hidrociclone é chamada 30 comumente de núcleo central. É pelo interior deste núcleo central que a fase separada mais leve se acumula, e necessita ser estabilizada de uma forma muito rápida já que sua saída fica do mesmo lado e próxima à entrada de fluido a ser separado.

Para que isso ocorra é necessário criar um movimento espiralado de alta velocidade. É a conversão da pressão de alimentação em energia cinética de rotação que governa a eficiência de um hidrociclone. Quanto maior essa conversão, ou seja, quanto maior a perda de pressão do fluido pelo interior do hidrociclone, maior sua eficiência. Por outro lado devem ser minimizadas as perdas de pressão localizadas, que gerem turbulência e, em consequência, mistura das fases separadas.

Os hidrociclones são equipamentos mais compactos que os separadores por gravidade convencionais, têm baixo peso, não contêm partes móveis, apresentam baixo custo de manutenção e são capazes de apresentar grande eficiência.

Adicionalmente, apresentam flexibilidade de instalação que pode ser no convés de uma unidade de produção flutuante ou como equipamento de processamento submarino.

As características de dimensões e simplicidade operacional dos hidrociclones fazem com que eles sejam um dos equipamentos preferidos para operações de separação em condições de fundo do mar, principalmente porque podem ser acondicionados no interior de vasos de pequeno diâmetro que requerem menor espessura de parede.

Os hidrociclones tradicionais que são utilizados em produção de petróleo, no entanto, encontram-se dimensionados para processamento de águas oleosas onde os teores de óleo são inferiores a 0,2%.

A maior dificuldade dos ciclones convencionais, em termos de projeto, é a dependência das características da corrente de fluido que será separada, em relação à proporção de seus constituintes.

TÉCNICA RELACIONADA

Existem vários documentos que podem servir de exemplo do desenvolvimento da técnica de separação de uma mistura de fluidos cujos constituintes podem ser separados em fases distintas por estas últimas apresentarem gravidades específicas diferentes.

O documento US 5,637,234 - (Edwin D. McCasland), aqui inserido por referência, apresenta um equipamento e um método para separação de uma mistura de fluidos que possuem diferentes gravidades específicas, como por exemplo, óleo e água. O método compreende separar a mistura em diferentes correntes e descarregar as múltiplas correntes no interior de um vaso abaixo da superfície da água e dirigir as múltiplas correntes contra placas defletoras tendo uma superfície vertical no interior do vaso e, deste modo, aumentando as taxas nas quais os fluidos poderiam se separar. O separador compreende um vaso, uma placa defletora tendo uma superfície vertical dentro do vaso, uma entrada para distribuir a mistura de fluidos dentro do vaso, um meio de distribuição conectado a esta entrada para separação da mistura em múltiplas correntes, e um ponto para descarregar essas múltiplas correntes, localizado abaixo da superfície do fluido mais pesado, geralmente água, e contra a placa defletora. O fluido mais pesado é mantido em um determinado nível por meio de uma placa separadora situada atrás da placa defletora. O fluido leve é retirado por um dreno diretamente acima da superfície do fluido pesado enquanto que o fluido pesado pode ser retirado pelo fundo do vaso atrás da placa defletora.

O documento US 6,968,901 (Jerry M. Edmondson), aqui inserido por referência, apresenta um método e meios para processamento de uma produção de óleo onde é necessário instalar os equipamentos, nos quais o processo será levado a cabo, sobre estruturas flutuantes sujeitas aos movimentos induzidos por ondas. Mais particularmente, a invenção declara como vantagem em comparação a vasos de processamento horizontais da técnica, o uso de vasos cilíndricos verticais que incluem estruturas internas que obrigam ao fluido a um caminho de fluxo horizontal, mas com muito pouca interferência devida aos movimentos de balanço da estrutura flutuante, e ocupando menos espaço.

O documento US 6,409,808 (Neville Paul Chamberlain e outros), aqui inserido por referência, apresenta um equipamento separador por gravidade incluindo em seu interior um vaso no qual uma mistura contendo óleo e água pode ser separada por gravidade para formar camadas discretas de óleo e de água. O vaso tem uma montagem interna que inclui um separador do tipo ciclone para separar a corrente de entrada de fluido em uma fase gás e uma fase líquida, e onde a fase líquida é conduzida, após o ciclone, a uma região do vaso separador por gravidade acima da camada de água.

O documento US 5,858,237 (Khalid A. Hashmi e outros) aqui inserido por referência, apresenta um separador do tipo hidrociclone para separação de fluidos imiscíveis e remoção de sólidos suspensos. Hidrociclones compreendem geralmente uma primeira porção cilíndrica com uma extremidade aberta inferior e outra fechada superior. Na extremidade fechada existe um orifício de saída (overflow) de fluido alinhado ao eixo longitudinal do hidrociclone e, associado a essa saída é montado um membro móvel em conformação de placa circular com vários furos em diâmetros progressivamente menores que o diâmetro do orifício de saída. Essa placa pode ser movida, manualmente ou por um motor e engrenagens, de modo que cada furo possa ser alinhado axialmente com o orifício de saída. O separador ainda inclui pelo menos duas entradas radiais balanceadas de injeção de fluido nesta porção cilíndrica adjacente à extremidade fechada. Uma segunda seção convergente e afilada com as extremidades abertas é conectada axialmente à extremidade aberta da primeira seção e uma terceira seção também convergente e afilada é conectada axialmente à segunda seção, seguida de uma quarta seção axialmente conectada à terceira seção. O separador preferencialmente utiliza duas, três ou quatro entradas de fluido radialmente balanceadas.

Essas entradas são tangencialmente montadas de forma a promover rapidamente um vórtex gerando uma estabilidade de fluxo com reduzida turbulência e perda de energia, e uma eficiência de separação melhorada.

A técnica se ressente de um equipamento do tipo hidrociclone que possa apresentar capacidade de processamento de correntes de fluido com teores de óleo altos, médios e baixos sem apresentar os inconvenientes dos ciclones convencionais em termos de projeto, que é a dependência das características da corrente de fluido que será separada, em relação à proporção de seus constituintes e a presença de regiões onde as perdas de carga localizada possam provocar deformação e ruptura dos glóbulos da fase dispersa.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É um objetivo da presente invenção um equipamento para a separação de fluidos que seja uma alternativa compacta aos separadores primários convencionais, principalmente no cenário de desenvolvimento de campos maduros, onde a produção de água atinge volumes consideráveis e requeiram soluções que possam ser de fácil e rápida implementação tanto em unidades que já existam quanto em sistemas submarinos.

O objetivo da presente invenção é alcançado por meio da concretização de um separador tipo hidrociclone que apresenta pequenas dimensões com alta capacidade de processamento de fluido devido a características construtivas introduzidas na alimentação, no orifício de saída superior (overflow) e no orifício de saída inferior (underflow).

A alimentação apresenta uma configuração que compreende dois canais iguais diametralmente opostos e curvos onde a área de seção transversal diminui gradativamente de modo a acelerar de forma suave a corrente de fluido bifásico, minimizando consideravelmente as perdas de pressão localizadas na seção de entrada.

A possibilidade de adaptação de peças intercambiáveis no orifício de saída superior permite a mudança do diâmetro deste orifício de saída e, desta forma, alterar as características hidrodinâmicas do equipamento e ampliar a capacidade de um mesmo equipamento atingir faixas operacionais adequadas a fluxo de fluidos que apresentem alto teor de óleo, médio teor de óleo e baixo teor de óleo.

Em uma concretização adequada para processamento de baixos teores de óleo, o equipamento hidrociclone da presente invenção, adicionalmente é equipado com uma válvula adaptada à saída inferior para permitir uma variação contínua deste orifício de saída, e assim, assegurar um fluxo de saída pelo orifício de saída superior (overflow) mesmo em condições nas quais as pressões nesta região sejam baixas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As características do hidrociclone para separação de fluidos, objeto da presente invenção, serão mais bem percebidas a partir da descrição detalhada que se fará a seguir associada aos desenhos abaixo referenciados, a mero título de exemplo, os quais são parte integrante do presente relatório.

A Figura 1 é uma representação de uma primeira concretização de um hidrociclone, segundo a presente invenção, próprio para separação de fluxo de fluido com alto teor de óleo ou com médio teor de óleo.

As Figuras 2A e 2B são representações da cabeça de alimentação da presente invenção, respectivamente em uma vista em perspectiva e uma vista superior.

A Figura 3 é uma representação de um primeiro calibre de saída de fase leve próprio para fluxo de fluido com alto teor de óleo ou com médio teor de óleo.

A Figura 4 é uma representação de uma segunda concretização de um hidrociclone, segundo a presente invenção, próprio para separação de fluxo de fluido com baixo teor de óleo.

A Figura 5 é uma representação de um primeiro calibre de saída de fase leve próprio para fluxo de fluido com baixo teor de óleo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição detalhada do hidrociclone para separação de fluidos, objeto da presente invenção, será feita de acordo com a identificação dos componentes que o forma, com base nas Figuras acima descritas.

Refere-se a presente invenção a um equipamento separador tipo hidrociclone que apresenta pequenas dimensões e possui alta capacidade de processamento de fluido devido a características construtivas introduzidas na alimentação, no orifício de saída superior (overflow) e na saída inferior (underflow).

O hidrociclone objeto da presente invenção pode ser observado, na Figura 1, em uma concretização que serve para correntes de fluido com alto teor de óleo e médio teor de óleo, e pode ser notado que ele compreende: - uma seção de alimentação (1) de fluido, substancialmente cilíndrica, com, pelo menos uma canalização de entrada de fluido (11) tangencial, que é fechada em sua superfície circular superior (12) e apresenta um orifício de saída de fase leve (13) (overflow) na região central, também parcialmente fechado em sua superfície circular inferior (14) onde, também na região central, apresenta um berço (15) para adaptação de um flange aloja em seu interior uma cabeça de alimentação (16) - apresentada em detalhes nas Figuras 2A e 2B - em formato de um anel cilíndrico de dimensões menores que a seção de alimentação (1), que define um espaço anelar entre a parede da seção de alimentação (1) e a superfície externa (17) desta cabeça de alimentação (16), e, pelo menos, dois canais (18) iguais, diametralmente opostos e curvos, os quais se estendem desde a superfície externa até a superfície interna (19) desta cabeça de alimentação (16) em direção ao centro desta última e onde a área de seção transversal destes canais (18) diminui gradativamente e serve para acelerar a corrente de fluido de forma suave e para introduzi-la no interior do hidrociclone; - um primeiro calibre de saída de fase leve (2) sob a forma de peça intercambiável vazada (V) em uma pluralidade de diâmetros diferentes, que pode ser observado em uma possível concretização sugerida na Figura 3, apresenta um diâmetro externo (21) compatível para ser inserida no orifício de saída de fase leve (13) (overflow) e permite, a cada diâmetro, alterar as características hidrodinâmicas do hidrociclone e adequar a faixa de utilização do mesmo de acordo com a corrente de fluido; - uma seção cônica aguda (3) com um primeiro flange (31) de diâmetro com abertura interna maior ligado ao berço (15) da seção de alimentação (1) e um segundo flange (32), de diâmetro com abertura interna menor, que serve para iniciar a formação do vórtex após a etapa de aceleração na cabeça de alimentação (1); - pelo menos uma seção cônica suave (4) com um terceiro flange (41) de diâmetro com abertura interna maior ligado ao segundo flange (32) de diâmetro com abertura interna menor da seção cônica aguda (3) e um quarto flange (42) de diâmetro com abertura interna menor, de comprimento maior do que a seção cônica aguda que serve para continuar a propagação do vórtex e incrementar a separação tanto da fase mais pesada quanto da fase mais leve; - uma seção cilíndrica final (5) com um quinto flange (51) ligado ao quarto flange (42) de diâmetro com abertura interna menor da seção cônica suave (4) e um sexto flange (52) de mesmo diâmetro de abertura interna que o quinto flange (51), que serve para concentrar a fase mais pesada a ser retirada pela saída inferior (53) (underflow).

Uma concretização do hidrociclone da presente invenção para correntes de fluido com baixo teor de óleo pode ser observado com o auxílio da Figura 4, possui os mesmos componentes da concretização anterior e, adicionalmente compreende: - um segundo calibre de saída de fase leve (6) sob a forma de peça intercambiável que apresenta uma base (61) substancialmente retangular com um prolongamento cilíndrico (62) central vazado (V) em uma pluralidade de diâmetros diferentes, mostrada em uma possível concretização sugerida na Figura 5, onde o prolongamento cilíndrico (62) tem um diâmetro externo (63) compatível para ser inserido no orifício de saída de fase leve (13) (overflow) e permite, a cada diâmetro, alterar as características hidrodinâmicas do hidrociclone e adequar a faixa de utilização do mesmo de acordo com a corrente de fluido; - uma válvula de agulha (7) ligada por um sétimo flange (71) ao sexto flange (52) da seção cilíndrica final (5), tem ajuste manual e serve para restringir o fluxo de saída de fase mais pesada de forma a ajustar o ponto de operação de maior eficiência para o hidrociclone e passa a compor a nova saída inferior (72) (underflow).

Os canais (18) iguais, diametralmente opostos e curvos da cabeça de alimentação (16) promovem uma menor taxa de quebra de gotas de fase dispersa pela diminuição dos valores de energia cinética turbulenta, dissipação turbulenta e tensões de cisalhamento.

Para a concretização do hidrociclone destinado ao processamento de fluidos com baixo teor de óleo, o ajuste da válvula de agulha (7) assegura um fluxo de saída de fase leve, mesmo quando for necessária a manutenção de campos centrífugos de grande intensidade, com pressão nesta região de saída (saída superior - overflow) muito baixa, que pode ocasionar um fenômeno de refluxo pela saída superior.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em sua forma de realização preferida, o conceito principal que norteia a presente invenção que é um equipamento separador tipo hidrociclone que apresenta pequenas dimensões e com alta capacidade de processamento de fluido devido a características construtivas introduzidas na alimentação, no orifício de saída superior (overflow) e na saída inferior (underflow), se mantém preservado quanto ao seu caráter inovador, onde aqueles usualmente versados na técnica poderão vislumbrar e praticar variações, modificações, alterações, adaptações e equivalentes cabíveis e compatíveis ao meio de trabalho em questão, sem, contudo, se afastar da abrangência do espírito e escopo da presente invenção, que estão representados pelas reivindicações que se seguem.

Claims (2)

1- HIDROCICLONE PARA SEPARAÇÃO DE FLUIDOS, caracterizado por compreender: - uma seção de alimentação (1) de fluido, substancialmente cilíndrica contendo pelo menos uma canalização de entrada de fluido (11) tangencial, a seção de alimentação (1) de fluido sendo fechada em sua superfície circular superior (12) e possuindo um orifício de saída de fase leve (13) na região central da superfície circular superior (12), a seção de alimentação (1) de fluido também sendo parcialmente fechada em sua superfície circular inferior (14) onde, também na região central, apresenta um berço (15) para conexão de uma seção cônica aguda (3); - uma cabeça de alimentação (16) alojada no interior da seção de alimentação (1) de fluido, em formato de um anel cilíndrico de dimensões menores que a seção de alimentação (1) de fluido, tal que um espaço anelar é definido entre a parede da seção de alimentação (1) e a superfície externa (17) da dita cabeça de alimentação (16), cabeça de alimentação (16) possuindo pelo menos dois canais (18) iguais, diametralmente opostos e curvos, os quais se estendem desde a superfície externa até a superfície interna (19) da dita cabeça de alimentação (16) e onde a área de seção transversal destes canais (18) diminui gradativamente servindo para acelerar a corrente de fluido de forma suave e para introduzi-la no interior do hidrociclone; - o calibre de saída de fase leve (2) sob a forma de peça intercambiável vazada (V) possuindo uma pluralidade de diâmetros diferentes, apresenta um diâmetro externo (21) compatível para ser inserida no orifício de saída de fase leve (13) e permite, a cada diâmetro, alterar as características hidrodinâmicas do hidrociclone e adequar a faixa de utilização do mesmo de acordo com a corrente de fluido; - uma seção cônica aguda (3) com a primeira extremidade conectada ao berço (15) da seção de alimentação (1) e a segunda extremidade possuindo um diâmetro com abertura interna menor que a primeira extremidade, a seção cônica aguda (3) que serve para iniciar a formação do vórtex após a etapa de aceleração na cabeça de alimentação (1); - pelo menos uma seção cônica suave (4) possuindo uma terceira extremidade conectada a segunda extremidade da seção cônica aguda (3) e uma quarta extremidade possuindo um diâmetro com abertura interna menor que a terceira extremidade, pelo menos uma seção cônica suave (4) possuindo um comprimento maior do que a seção cônica aguda, que serve para continuar a propagação do vórtex e incrementar a separação tanto da fase mais pesada quanto da fase mais leve; - uma seção cilíndrica final (5) possuindo uma quinta extremidade conectada a quarta extremidade da seção cônica suave (4) e uma sexta extremidade possuindo o mesmo diâmetro de abertura interna da quinta extremidade, a seção cilíndrica final (5) que serve para concentrar a fase mais pesada a ser retirada pela saída inferior (53).

2- HIDROCICLONE PARA SEPARAÇÃO DE FLUIDOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter a capacidade de processar fluidos com baixo teor de óleo, em que: - o calibre de saída de fase leve (6) sob a forma de peça intercambiável que apresenta uma base (61) substancialmente retangular com um prolongamento cilíndrico (62) central vazado (V) em uma pluralidade de diâmetros diferentes, onde o prolongamento cilíndrico (62) tem um diâmetro externo (63) compatível para ser inserido no orifício de saída de fase leve (13) e permite, a cada diâmetro, alterar as características hidrodinâmicas do hidrociclone e adequar a faixa de utilização do mesmo de acordo com a corrente de fluido; - o hidrociclone ainda compreende uma válvula de agulha (7) conectada por um sétimo flange (71) a sexta extremidade da seção cilíndrica final (5), tem ajuste manual e serve para restringir o fluxo de saída de fase mais pesada de forma a ajustar o ponto de operação de maior eficiência para o hidrociclone e passa a compor a nova saída inferior (72).