ES2256155T3 - Dispositivo para la separacion de contaminantes liquidos y/o solidos arrastrados por corrientes de gases. - Google Patents
Dispositivo para la separacion de contaminantes liquidos y/o solidos arrastrados por corrientes de gases.Info
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Abstract
Dispositivo (10) para la separación de contaminantes líquidos y/o sólidos arrastrados por corrientes de gases, que comprende un elemento separador (11), contenido en el interior de un alojamiento protector (12) que comprende una entrada de gas y una salida de gas (13, 14), en el que dicho elemento separador (11) comprende un serpentín en espiral (17) enrollado en un número de espiras y dispuesto entre un disco de salida superior (18), presentando un único orificio de salida central (20), y un disco de descarga inferior (19), formando dicho serpentín (17) un conducto (40) de sección transversal rectangular, cuyo lado más largo H es vertical mientras que el lado más corto P es horizontal, siendo constante el paso del serpentín y viniendo representado por dicho lado P, y en el que dicho disco de descarga (19) presenta una serie de orificios de descarga (21, 21¿) distribuidos a lo largo de toda la longitud de dicho conducto (40), y en el que la parte inferior de dicho elemento separador (11) comprende una tolva colectora (22) que está situada directamente debajo de dicho disco de descarga inferior (19), consistiendo dicha tolva (22) en una parte cilíndrica, unida al diámetro exterior de dicho disco de descarga (19) y un extremo cónico que converge en el centro, realizando dicha tolva la tarea de desviar una parte de la corriente que abandona los orificios de descarga (21) de las espiras del serpentín (17) situadas externamente hacia los orificios de descarga (21¿) de las espiras del serpentín (17) situadas internamente, creando así en el área alrededor del centro de la tolva (22) una corona de corrientes ascendentes que forman un vórtice, presentando además dicha tolva (22) una abertura circular (25) que comunica con la zona subyacente de dicho separador mediante un conducto vertical corto, para recoger el producto separado, y comprendiendo debajo de dicha tolva (22) un elemento cónico (23), conectado al extremo de dicho conducto vertical y divergiendo de él, y para dicho serpentín (17), la relación P/H es < 0, 0607 y el número de espiras es mayor de cinco.
Description
Dispositivo para la separación de contaminantes
líquidos y/o sólidos arrastrados por corrientes de gases.
La presente invención se refiere a un dispositivo
para la separación de contaminantes líquidos y/o sólidos
arrastrados por corrientes de gases.
En el actual estado de la técnica se adoptan
diversas técnicas para eliminar las micropartículas líquidas y/o
sólidas arrastradas por las corrientes de gas, aire o vapor, las
cuales presentan sin embargo una eficiencia modesta e inestable
(99,5% > 8 a 10 micras), como ocurre en el caso de los
separadores centrífugos, ciclónicos o inerciales. A partir del
documento US nº 1.533.501 se conoce un separador de espuma para
eliminar del vapor el líquido que arrastra.
El documento WO 98/52.673 da a conocer un
separador de ciclón para ser utilizado en la separación de
partículas sólidas del medio gaseoso o líquido.
La patente US nº 3.654.748 da a conocer un
separador de líquido y de gas de múltiples etapas provisto de una
vía en espiral para la centrifugación del líquido.
La patente US nº 5.314.529 proporciona un aparato
para separar el líquido de una mezcla de líquido/gas estableciendo
un flujo laminar dentro de un canal curvado.
La patente US nº 5.460.147 da a conocer un
separador de ciclón cilíndrico.
También se conocen otros dispositivos separadores
a partir de los documentos FR nº 2 011 821 y US nº 5.238.475.
Para obtener valores de eficiencia más altos
(99,5% > 1 micra), se utilizan separadores de doble etapa, es
decir que presentan una primera etapa con cartuchos y una segunda
etapa del tipo inercial.
Normalmente los cartuchos son de fibra de vidrio,
del tipo coalescente, con un umbral de filtración muy alto, para
permitir el proceso de coalescencia (aglomeraciones de pequeñas
partículas de líquido para formar partículas más grandes).
Estas características hacen que los cartuchos
queden obstruidos por el contaminante sólido y, dentro de un
período de tiempo relativamente corto producen una pérdida de carga
que hace necesaria su sustitución. El número de cartuchos utilizado
está correlacionado con el caudal que se ha de eliminar y
generalmente es un número muy grande.
Su sustitución crea varios problemas y
operaciones, entre las que se pueden mencionar la necesidad de un
separador de repuesto y la despresionización del separador para
realizar el mantenimiento.
Esto va seguido de las etapas de drenaje del
separador, la apertura del separador, el desensamblaje de los
cartuchos obstruidos y la limpieza de los portacartuchos.
A continuación deben montarse naturalmente
cartuchos nuevos, el separador debe cerrarse y debe volverse a
aplicar presión al sistema.
A todo esto hay que añadir el coste de los
cartuchos nuevos, la eliminación de los obstruidos, el transporte y
el personal necesario para todas las operaciones mencionadas
anteriormente.
Allí donde existe una corriente de gas, aire o
vapor, esta corriente debe limpiarse de todos los contaminantes
extraños que pueda haber, tanto líquidos como sólidos.
El objetivo que se pretende alcanzar mediante el
separador de la presente invención es tener una corriente de gas,
aire o vapor técnicamente limpia (99% de eliminación de las
micropartículas > 1 micra) y garantizar esta eficiencia con
todos los niveles de caudal dentro del alcance del proyecto, sin
procesos de obstrucción o erosión, sin necesidad de repuestos, o de
mantenimiento particular.
Por consiguiente, el objetivo del dispositivo de
la presente invención es eliminar las micropartículas líquidas y/o
sólidas de una corriente de gas, aire o vapor.
Particularmente, se pretende eliminar de una
corriente de gas, aire o vapor el 99,5% de las micropartículas
líquidas y/o sólidas de un diámetro > 1 micra.
Otro objetivo adicional del dispositivo de la
presente invención es mantener rigurosamente una eficiencia
constante en todos los niveles de caudal hasta el caudal máximo del
proyecto.
Otro objetivo del dispositivo de la presente
invención es producir un dispositivo para la separación de
contaminantes que no requiera ni mantenimiento ni repuestos.
Otro objetivo adicional del dispositivo de la
presente invención es producir un dispositivo para la separación de
contaminantes que no sea susceptible de sufrir obstrucción o
erosión.
Finalmente, se pretende limitar las
intervenciones externas exclusivamente a la descarga del producto
separado, que puede efectuarse o bien manualmente o bien
automáticamente, sin necesidad de poner fuera de servicio al
equipo.
equipo.
Estos y otros objetivos se alcanzan mediante un
dispositivo para la separación de contaminantes líquidos y/o
sólidos arrastrados por corrientes de gases, según la reivindicación
1, a la que debe hacerse referencia en aras de la brevedad.
Otros objetivos y ventajas adicionales de la
presente invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir
de la siguiente descripción y dibujos adjuntos, proporcionados
exclusivamente a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
- la figura 1 ilustra una
representación esquemática del dispositivo para la separación de
contaminantes líquidos y/o sólidos arrastrados por corrientes de
gases, según la presente invención;
- la figura 2 ilustra una
representación esquemática del elemento separador, relativo al
dispositivo de la presente invención;
- la figura 3 ilustra una
representación esquemática del elemento separador de la figura 2,
indicando las relaciones dimensionales principales;
- la figura 4 ilustra una
representación esquemática del elemento separador del figura 2
indicando el flujo interno de las corrientes; y
- la figura 5 ilustra una sección,
según el plano V-V de la figura 4, del elemento
separador.
Haciendo referencia principalmente a la figura 1,
el dispositivo para la separación de contaminantes líquidos y/o
sólidos arrastrados por corrientes de gases, según la presente
invención, se designa mediante el número de referencia 10.
El dispositivo 10 comprende un elemento separador
11, contenido dentro de un alojamiento protector 12.
El alojamiento 12 comprende también una entrada
de gas 13 y una salida de gas 14, así como también un canal de
drenaje 15 y un indicador de nivel 16.
El elemento separador comprende un serpentín 17;
el serpentín 17 está dispuesto entre dos discos 18 y 19, un disco
superior o disco de salida, con un orificio de salida central
individual 20 y un disco inferior o de descarga 19 que contiene una
serie de canales de descarga 21 en el interior del conducto 40 para
la totalidad de su longitud.
Los parámetros geométricos del serpentín 17 y la
distribución de los canales de descarga 21 son experimentales para
el funcionamiento del sistema y se ilustrarán con más detalle más
adelante.
En la parte inferior del elemento separador 11
hay una tolva colectora 22, que está situada inmediatamente por
debajo del disco de descarga 19 y, como resultado de unos parámetros
geométricos precisos experimentales, desvía una parte de la
corriente que abandona los canales de descarga 21 de las espiras
externas, hacia los canales de descarga 21' de las espiras internas
en un espacio bien definido, creando así, en el área alrededor del
centro de la tolva 22, una corona de corrientes ascendentes que
forman un vórtice (ciclónico) con un sentido de giro
antihorario.
Este vórtice (ciclónico) es una corriente
rotativa ascendente externa que, cuando se aproxima a su "ojo",
invierte su movimiento y empieza a descender.
Sin embargo, no puede excluirse que la rotación
en el sentido antihorario del vórtice pueda depender del hemisferio
boreal o austral de la superficie de la tierra, dependiendo de la
posición geográfica en la que se utilice el dispositivo de la
presente invención, permaneciendo el dispositivo sin ninguna
variación, también en lo que respecta a los conceptos innovadores
aquí expresados.
La tolva 22 consiste en una parte cilíndrica,
unida al diámetro exterior del disco de descarga y un extremo
cónico que converge en el centro con una abertura circular 25, que
comunica, mediante un conducto vertical corto, con la zona
subyacente del separador con la función de recoger el producto
separado; debajo de la tolva 22 hay también un elemento divisor
23.
El principio de funcionamiento del dispositivo de
la presente invención se basa en la utilización de una división
secundaria 23 de la corriente de la capa límite que se genera en el
conducto en espiral como resultado de la fuerza centrífuga
producida por la corriente del gas obligada a seguir una trayectoria
curvilínea dentro del conducto propiamente dicho.
Esta división secundaria 23, junto con una parte
de la corriente principal, es perpendicular al plano de
arrollamiento del serpentín 17 y se desplaza hacia abajo en la
pared externa del conducto 40 donde están dispuestos los canales de
descarga 21, a través de los cuales abandona las espiras externas y
entra en las espiras internas uniendo la corriente principal que
está ahora cerca de la salida.
La función del serpentín 17 es crear un conducto
rectangular hacia abajo del cual circula la corriente del gas, para
obligar a todas las líneas del fluido que forman la corriente a que
entren en contacto con la pared externa del serpentín 17, así como
también crear una fuerza centrífuga, con una expansión tal que
permita la formación de una capa límite que presente un espesor
suficiente para garantizar la adherencia a la pared.
Debido a la curvatura del conducto 40, las líneas
del fluido de la corriente del gas que contiene micropartículas
líquidas y/o sólidas se ven obligadas a entrar en contacto
innumerables veces con la pared externa del conducto 40, es decir
en una zona donde la corriente de la capa límite está operando. Esta
zona puede considerarse como que es una zona de reposo, donde las
velocidades son extremadamente reducidas y donde las partículas
contaminantes pierden su energía y se transportan hacia la descarga
de la división secundaria de la corriente de la capa límite, por la
acción de la fuerza de la gravedad. En esta fase de separación, las
partículas del líquido inician un proceso de aglomeración
adhiriéndose entre sí, y envolviendo al mismo tiempo las
micropartículas sólidas que consecuentemente se ven retiradas
definitivamente de la corriente principal dentro de las
micropartículas de
líquido.
líquido.
En ausencia de una fase líquida, la tarea de
separar las micropartículas sólidas < 5 micras y mantenerlas
separadas hasta que sean expulsadas al fondo del depósito, se delega
al vórtice (ciclónico) que se genera debajo del disco de descarga
19 del serpentín 17 activado por la conformación geométrica de la
tolva colectora 22. Debido a su aglomeración, las partículas de
líquido (que también contienen polvo sólido) se expulsan desde los
orificios de descarga de las espiras externas del serpentín 17,
después de haber adquirido dimensiones (y por consiguiente masas)
suficientemente grandes como para permitir que caigan como resultado
de la acción de la gravedad.
Las partículas sólidas secas, o partículas
líquidas con dimensiones < 5 micras, pueden ser enviadas en
cambio hacia la salida por la corriente que fluye desde las espiras
internas, si no son "succionadas" hacia arriba por el vórtice
(ciclónico) y expulsadas hacia abajo una vez hayan alcanzado el ojo
del vórtice, donde hay una corriente rotativa descendente.
Para garantizar el correcto funcionamiento del
sistema, la adherencia de la corriente de la capa límite a la pared
del conducto 40 debe mantenerse estable y consecuentemente su
espesor debe calcularse empleando la fórmula
siguiente:
siguiente:
\delta s =
C\text{*} \sqrt{\frac{\nu op}{Vs}}\text{*}
\sqrt{SVs}>0,28125
\deltas = espesor de la capa límite, en mm.
C = coeficiente experimental = 0,625
\nuop = viscosidad cinemática del gas en las
condiciones del proyecto (P y T): m^{2}/s x 10^{-16}
V_{s} = caudal en el conducto : m/s
SV_{s} = expansión del serpentín en espiral:
m
Para cumplir el caudal exigido, el serpentín 17
puede presentar varios principios o varios elementos con un
principio en paralelo.
El serpentín 17 forma el conducto rectangular 40,
cuyo lado más largo H es vertical mientras que el lado más corto P
es horizontal.
El paso del serpentín es constante.
El lado más corto del conducto "P"
representa también el paso.
La relación P/H debe ser < 0,0607.
El número de espiras debe ser > 5.
El enrollado se hace en el sentido horario.
\newpage
La sección de la boca del conducto es la
siguiente:
P/H =
\frac{Qe\text{*} 10^{6}}{3600\text{*} VS} =
mm^{2}
Qe = caudal volumétrico real en m^{3}/h
Vs = velocidad media de circulación de la
corriente del aire o del gas en la boca del conducto m/s < 15
(para el vapor \leq 30).
El serpentín es de chapa metálica con un acabado
superficial 2b, consistente en piezas con soldadura empleando un
electrodo de wolframio en gas inerte, sin ninguna aspereza.
El serpentín, como se ha indicado anteriormente,
está entre dos discos, un disco de salida superior 18 y un disco de
descarga inferior 19.
El disco superior 18 presenta un orificio central
20 con un diámetro \Phiu que permite inducir una velocidad de
circulación comprendida entre 15 y 22,5 m/s dependiendo de la
densidad del gas. Para el vapor, la velocidad de circulación es <
35 a 40 m/s.
El disco inferior 19 presenta una serie de
canales de descarga 21, 21' dispuestos dentro del conducto 40 y
distribuidos experimentalmente según la tabla siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
| % Expans. x Tot. Expans. Conducto Svc | % ASC X Tot. ASC mm^{2} |
| 26,5 \; = mm | % \; \; mm^{2} |
| 23,3 \; = mm | 25,5 = |
| 19,9 \; = mm | 22,4 = |
| 16,7 \; = mm | 20,4 = |
| 13,6 \; = mm | 17,4 = |
| 14,3 = |
\vskip1.000000\baselineskip
El serpentín debe presentar una relación de
curvatura que satisfaga la relación siguiente:
\frac{\Phi
u}{\Phi e \ \text{serpentín}} \text{*} \frac{1}{n^{o} \ de \
espiras}\leq 0,055
\hskip2cm(valor adimensional)
\vskip1.000000\baselineskip
Debe presentar una relación P/SVs < 0,005263
(valor adimensional)
Y una relación de "contacto" Qe/As <
0,065267 m^{3}/s X m^{2}
\Phiu = diámetro del orificio de la salida del
serpentín = mm
\Phie bobina = diámetro exterior del serpentín
= 2 Rps = mm
P = paso = mm
SVs = expansión del serpentín = mm
Qe = caudal volumétrico real m^{3}/s
As = área de la pared del serpentín = SVs x H =
m^{2}
La distribución de los orificios de descarga se
ha optimizado experimentalmente para obtener la máxima diferencia de
presión entre el conducto 40 y la tolva de descarga 22.
Esta diferencia de presión está comprendida entre
294,3 y 490,5 Pa (entre 30 y 50 mm de H_{2}O) y permite a la
división secundaria de la corriente que circule totalmente hacia
abajo contra la pared externa las primeras espiras del conducto 40,
transportando el contaminante contenido en la misma hacia la salida
de descarga.
\newpage
La sección de la descarga producida con orificios
\PhiF = P-2, viene dada por la relación
siguiente:
ASC =
\frac{AC}{(\Phi F + 0)^{2}}\Phi F^{2} \ \text{*} \ 0,785 =
mm^{2}
ASC = sección de descarga en mm^{2}
AC = área del conducto = SVc x P en mm^{2}
\PhiF = diámetro del orificio de descarga = P -
2 en mm.
La descripción proporcionada ilustra claramente
las características del dispositivo para la separación de
contaminantes líquidos y/o sólidos arrastrados por corrientes de
gases, así como sus ventajas y modo de funcionamiento.
Para definir con mayor precisión las ventajas
mencionadas anteriormente, quisiéramos hacer los siguientes
comentarios concluyentes y observaciones.
El dispositivo puede garantizar la eficiencia de
la separación, independientemente de la cantidad y la calidad de
contaminante.
También presenta una gran versatilidad y puede
utilizarse en la más amplia gama de campos técnicos, de los que se
citan a continuación algunos posibles ejemplos.
El dispositivo puede utilizarse en la protección
de estaciones de compresión y reducción en gasoductos para el
transporte de gas natural, particularmente en áreas no
protegidas.
La tecnología actual, en efecto, utiliza
separadores de dos etapas con cartuchos coalescentes y bloque
laminar. Estos requieren repuestos y mantenimiento, interrupciones
del servicio, drenaje y la acumulación de cartuchos que se han de
eliminar. Los costes de estos separadores son de 3 a 6 veces mayores
que el coste de un separador según la invención, a lo cual hay que
añadir el ahorro de los repuestos, del mantenimiento y de las
interrupciones del servicio de la instalación.
El dispositivo puede utilizarse también en la
cabeza de pozo en plataformas de extracción de gas marinas y
terrestres. El coste de los separadores de la presente invención es
menor que el de los que se usa tradicionalmente y con una eficiencia
50 veces mayor.
El dispositivo se puede utilizar también para la
protección de compresores de cualquier gas de proceso o estaciones
de recepción en tierra de los gasoductos submarinos, o para proteger
al gas de las turbinas de gas para la producción de energía
eléctrica.
Otros posibles usos del dispositivo según la
presente invención son: transferencia de vapor para turbinas;
tratamiento del aire comprimido para todo tipo de usos; la
protección de cromatógrafos de gases u otros instrumentos a través
de los cuales pasa el gas; en la descarga del compresor para
eliminar el aceite de lubricación arrastrado junto con el gas; en
instalaciones de producción de gas con membranas moleculares para
proteger a estas últimas; en la distribución de gas ciudad para
proteger las estaciones reductoras y de medición; en plataformas
petrolíferas marinas para el tratamiento del gas que emerge junto
con el petróleo.
El dispositivo de la presente invención puede
utilizarse también en el campo ecológico para el tratamiento de
humos o vapores descargados a la atmósfera en presencia de presiones
extremadamente bajas, temperaturas altas y caudales altos. Uno de
los usos principales del dispositivo es en las instalaciones de
etileno (descarbonización); otros usos están relacionados con las
industrias de la madera, del cemento y de la energía en general.
El separador de la presente invención no presenta
límites en cuanto a su uso por lo que respecta a caudales,
presiones o temperaturas. El principio de funcionamiento puede
adaptarse a cualquier condición del proyecto.
También resulta evidente que, en la forma de
realización de la presente invención, los materiales, formas y
dimensiones de los detalles ilustrados pueden variar según lo
requerido y pueden reemplazarse por otras alternativas técnicamente
equivalentes.
El alcance de la presente invención se define en
las reivindicaciones adjuntas a la presente invención.
Claims (1)
1. Dispositivo (10) para la separación de
contaminantes líquidos y/o sólidos arrastrados por corrientes de
gases, que comprende un elemento separador (11), contenido en el
interior de un alojamiento protector (12) que comprende una entrada
de gas y una salida de gas (13, 14), en el que dicho elemento
separador (11) comprende un serpentín en espiral (17) enrollado en
un número de espiras y dispuesto entre un disco de salida superior
(18), presentando un único orificio de salida central (20), y un
disco de descarga inferior (19), formando dicho serpentín (17) un
conducto (40) de sección transversal rectangular, cuyo lado más
largo H es vertical mientras que el lado más corto P es horizontal,
siendo constante el paso del serpentín y viniendo representado por
dicho lado P, y en el que dicho disco de descarga (19) presenta una
serie de orificios de descarga (21, 21') distribuidos a lo largo de
toda la longitud de dicho conducto (40), y en el que la parte
inferior de dicho elemento separador (11) comprende una tolva
colectora (22) que está situada directamente debajo de dicho disco
de descarga inferior (19), consistiendo dicha tolva (22) en una
parte cilíndrica, unida al diámetro exterior de dicho disco de
descarga (19) y un extremo cónico que converge en el centro,
realizando dicha tolva la tarea de desviar una parte de la
corriente que abandona los orificios de descarga (21) de las espiras
del serpentín (17) situadas externamente hacia los orificios de
descarga (21') de las espiras del serpentín (17) situadas
internamente, creando así en el área alrededor del centro de la
tolva (22) una corona de corrientes ascendentes que forman un
vórtice, presentando además dicha tolva (22) una abertura circular
(25) que comunica con la zona subyacente de dicho separador
mediante un conducto vertical corto, para recoger el producto
separado, y comprendiendo debajo de dicha tolva (22) un elemento
cónico (23), conectado al extremo de dicho conducto vertical y
divergiendo de él, y para dicho serpentín (17), la relación P/H es
< 0,0607 y el número de espiras es mayor de cinco.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT2000MI002282A IT1319231B1 (it) | 2000-10-20 | 2000-10-20 | Dispositivo per la separazione di inquinanti liquidi e/o soliditrascinati da flussi gassosi. |
| ITMI00A2282 | 2000-10-20 | ||
| US10/154,322 US6752861B2 (en) | 2000-10-20 | 2002-05-23 | Device for the separation of liquid and/or solid pollutants entrained by gaseous streams |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES01203984T Expired - Lifetime ES2256155T3 (es) | 2000-10-20 | 2001-10-18 | Dispositivo para la separacion de contaminantes liquidos y/o solidos arrastrados por corrientes de gases. |
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