ES2330905B1 - Instalacion termogravitacional adaptada para trabajar altas y bajas presiones. - Google Patents
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Abstract
Instalación termogravitacional adaptada para
trabajar a altas y bajas presiones.
Instalación gravitacional adaptada para trabajar
a altas y bajas presiones que comprende una columna
termogravitacional (2) cilíndrica que incluye un tubo exterior (8)
y un tubo interior (6) que definen un espacio anular (7), unos
medios de carga (3) de una mezcla de fluidos (20, 21) en el espacio
anular (7), y unos medios de extracción (5) de muestras. La
instalación gravitacional comprende unos medios generadores de alta
presión (4) que comprenden un dispositivo hidráulico (23) que
incluye un cilindro hidráulico (23b), y un intensificador de
presión (24) que accionado por el cilindro hidráulico (23b)
comprime la mezcla de fluidos (20, 21) en el interior de la columna
termogravitacional (2) hasta alcanzar una presión determinada,
manteniendo dicha presión en el espacio anular (7).
Description
Instalación termogravitacional adaptada para
trabajar a altas y bajas presiones.
La presente invención se refiere a una
instalación termogravitacional adaptada para trabajar con fluido a
altas y a bajas presiones.
Las propiedades de transporte de fluidos que se
determinan mediante la aplicación de la técnica termogravitacional
son el resultado de la combinación del efecto del gradiente térmico
(difusión térmica) y de la convección (campo gravitatorio). Los
procesos de transporte en fluido debidos al fenómeno de la
termodifusión, han adquirido un considerable interés en problemas
tan diversos como el análisis de inestabilidad hidrodinámica, el
transporte de materia en seres vivos, o en algunos problemas
prácticos, como el fraccionamiento de polímeros y la modelización
para la explotación óptima de yacimientos petrolíferos. Hoy en día,
el uso de la difusión térmica también despierta gran interés en
problemas medio ambientales, como por ejemplo la deposición de
aerosoles o la termoforesis.
Desde el punto de vista industrial, la
importancia de la termodifusión en la exploración de pozos
petrolíferos radica en el conocimiento de las variaciones de la
composición de los fluidos que impregnan los depósitos. Desde su
formación en un yacimiento, los constituyentes son redistribuidos
por diversos procesos. A profundidades cercanas de 4000 metros, los
fluidos están a menudo próximos a las condiciones críticas, y en
consecuencia son muy sensibles a las fuerzas aplicadas como la
gravedad o los gradientes de temperatura y de presión.
El fenómeno de la termodifusión fue observado
por primera vez por Ludwig, quien descubrió que un gradiente de
temperatura ocasionaba una redistribución de concentración, siendo
posteriormente analizado por Soret. La magnitud relevante en la
descripción del fenómeno de la termodifusión es el coeficiente
Soret, dado por 100 , donde D_{T} es el
coeficiente de difusión térmica y D el coeficiente de
difusión ordinaria o molecular. Para la determinación del
coeficiente Soret se conocen dos procedimientos experimentales
basados en régimen puramente no convectivo, y régimen convectivo.
El primer caso, corresponde a una célula de separación de difusión
térmica y el segundo, a una célula de separación de flujo continuo.
Las medidas efectuadas en estas células de separación pueden venir
seriamente afectadas por la presencia de perturbaciones convectivas
originadas por la inestabilidad hidrodinámica o por la existencia de
gradientes laterales de temperatura.
Con objeto de evitar estas perturbaciones, se
han realizado medidas de separación en microgravedad y se han
determinado los coeficientes de transporte de las fluido en estas
condiciones. Aunque los resultados no son concluyentes, parecen
señalar diferencias importantes con los valores obtenidos en la
superficie de la Tierra.
Paralelamente, se han mejorado los dispositivos
experimentales no convectivos y se han refinado los métodos ópticos
de análisis. Pero, en cualquier caso, la pequeñez del efecto, sobre
todo en la separación, hace que la mayoría de las medidas
experimentales obtenidas con estas técnicas tengan una gran
imprecisión.
Por el contrario, en una columna
termogravitacional, también denominada columna de difusión térmica
o de Clusius y Dickel, el efecto elemental de separación a presión
atmosférica por difusión térmica se combina con las corrientes
convectivas verticales, dando lugar a una separación amplificada
entre los extremos de la columna termogravitacional que puede ser
tanto positiva como negativa. En el caso de la separación positiva,
es el componente menos denso de una mezcla de fluidos binaria el
que se dirige hacia la pared caliente dando lugar a unos
enriquecimientos en la parte superior de la célula, mientras el
componente más denso se enriquece en la parte inferior, y por lo
tanto, el coeficiente Soret y el coeficiente de difusión térmica
son positivos. Ahora bien, en el caso de una separación negativa, es
el componente más denso el que se encuentra en la parte superior de
la columna dando lugar a una separación potencialmente inestable y
por lo tanto S_{T} y D_{T} son negativos.
Los resultados obtenidos muestran varias
ventajas de este método, por ejemplo, la separación estacionaria es
independiente del gradiente térmico, y por lo tanto no es necesario
un control preciso de las temperaturas. Además, la sensibilidad del
método puede incrementarse disminuyendo la anchura del espacio de
trabajo para el caso de columnas cilíndricas y multiplicarse hasta
lograr separaciones absolutas para el caso de columnas planas
inclinadas. También para el caso de separaciones negativas, se ha
podido establecer un gradiente adverso de densidad, trabajando
siempre con varios órdenes de magnitud por encima del valor crítico
de Grashof. Además, la reproducibilidad de las medidas
experimentales obtenidas mediante este método, muestra la
posibilidad del método termogravitacional en la determinación de
las propiedades de transporte para mezclas líquidas, trabajando
tanto en configuraciones planas como cilíndricas a di-
ferentes relaciones de aspecto, e incluso con nuevos procedimientos experimentales, tales como, la velocimetría láser.
ferentes relaciones de aspecto, e incluso con nuevos procedimientos experimentales, tales como, la velocimetría láser.
Desde sus primeras aplicaciones en las que el
objetivo era conseguir la separación de isótopos, hasta el abanico
de posibilidades de las aplicaciones realizadas hoy en día (desde
el campo de la geofísica hasta el de la metalurgia), muestran la
aptitud y la diversidad de posibilidades de la aplicación de la
técnica termogravitacional.
Además, entre las técnicas existentes para la
determinación de propiedades de transporte de fluido, cabe destacar
la técnica termogravitacional como la más idónea para la
realización de los ensayos a altas presiones.
El objeto de la invención es proporcionar una
instalación termogravitacional según se define en las
reivindicaciones.
La instalación gravitacional adaptada para
trabajar a altas y bajas presiones que comprende una columna
termogravitacional cilíndrica que incluye un tubo exterior y un
tubo interior que definen un espacio anular, unos medios de carga de
una mezcla de fluidos en el espacio anular, y unos medios de
extracción de muestras.
La instalación gravitacional comprende unos
medios generadores de alta presión que comprenden un dispositivo
hidráulico que incluye un cilindro hidráulico, y un intensificador
de presión que accionado por el cilindro hidráulico comprime la
mezcla de fluidos en el interior de la columna termogravitacional
hasta alcanzar una presión determinada, manteniendo dicha presión
en el espacio anular.
La instalación termogravitacional de la
invención permite determinar experimentalmente diversas propiedades
de transporte de mezclas de fluidos, tales como el coeficiente de
difusión térmica, el coeficiente de difusión molecular y el
coeficiente Soret a bajas y altas presiones aplicando la técnica
termogravitacional.
La instalación termogravitacional de la
invención además de estar preparada para trabajar altas presiones,
permite ser utilizada con todo tipo de fluidos, tanto en estado
líquido como gases licuados. Por último, el diseño optimizado de la
columna termogravitacional, facilita el montaje/desmontaje de sus
componentes.
Figura 1 se muestra un esquema de la instalación
termogravitacional según la invención adaptada para trabajar a
altas y bajas presiones.
Figura 2 se muestra una sección longitudinal de
una columna termogravitacional de la instalación termogravitacional
mostrada en la figura 1.
Figura 3 se muestra en detalle unos medios de
carga de una mezcla de fluidos en una columna termogravitacional de
la instalación termogravitacional mostrada en la figura 1.
Figura 4 se muestra en detalle otros medios de
carga de una mezcla de fluidos en una columna termogravitacional de
la instalación termogravitacional mostrada en la figura 1
Figura 5 se muestra en detalle unos medios
generadores de alta presión en una columna termogravitacional de la
instalación termogravitacional mostrada en la figura 1.
La instalación termogravitacional 1 de la
invención, mostrada en la figura 1, comprende una columna
termogravitacional 2, unos medios de carga 3 de una mezcla de
fluidos 20, 21 a la columna termogravitacional 2, unos medios
generadores de alta presión 4 que generan y mantienen la mezcla de
fluidos 20, 21 a una presión determinada en el interior de al
columna termogravitacional 2 , y unos medios de extracción de
muestras 5 de fluido para su posterior análisis.
La columna termogravitacional 2, mostrada en
detalle en la figura 2, es del tipo cilíndrica, y comprende un tubo
interior 6 y un tubo exterior 8, ambos tubos 6,8 cilíndricos y
coaxiales, definen un espacio anular 7 en donde se introduce una
mezcla de fluidos 20, 21, siendo el espacio anular 7 el espacio
anular comprendido entre el tubo exterior 8 y el tubo interior 6.
La variación de la anchura del espacio anular 7 se consigue con
sólo cambiar el tubo interior 6, para lo cual el diseño de la
columna termogravitacional 2 es desmontable.
La columna termogravitacional 2 comprende una
tapa 9a un extremo de la columna termogravitacional 2, y una base
9b en el otro extremo de la columna termogravitacional 2.
La concentricidad entre el tubo exterior 8 y el
tubo interior 6 se asegura por una parte, con las tolerancias
geométricas y dimensionales establecidas en la fabricación de las
diferentes piezas, y por otra mediante la tapa 9a y la base 9b con
las cuales se fijan el tubo exterior 8 y el tubo interior 6.
El montaje entre el tubo exterior 8, el tubo
interior 6, la tapa 9a y la base 9b encierra un volumen anular sin
posibilidad de fugas, asegurando así que no haya pérdidas de la
mezcla de fluidos 20, 21 durante el proceso de la termodifusión a
altas y bajas presiones. La hermeticidad del espacio anular 7 se
asegura mediante unas juntas de estanqueidad que deben ser
compatibles con los fluidos que se vayan a analizar en el
dispositivo en cuestión.
El tubo exterior 8 es mantenido a una
temperatura fría constante y el tubo interior 6 a una temperatura
caliente constante, produciéndose así un gradiente de temperatura
necesario para que se produzca la separación de los componentes de
la mezcla de fluidos 20, 21.
Según la teoría termogravitacional, la
separación estacionaria es independiente del gradiente de
temperatura al que está sometido, pero, otra variable a tener en
cuenta en el proceso, además de la separación, es el tiempo de
relajación del proceso, en el cual el gradiente térmico juega un
papel muy importante.
Para disponer de datos fiables del valor de
temperatura en el tubo exterior 5 y en el tubo interior 6 de la
columna termogravitacional 2, la instalación termogravitacional 1
de la invención dispone de cuatro termopares, no representados, para
poder medir tanto el gradiente de temperatura vertical de cada tubo
6,8, así como el gradiente de temperatura real en el espacio anular
7 con una precisión de 0.01ºC. Así mismo, la columna
termogravitacional 2 comprende una sonda de presión no representada,
que mide la presión en el interior del espacio anular 7.
La columna termogravitacional 2 tiene capacidad
para trabajar con presiones de hasta 500 bar y con gradientes de
temperatura en el espacio anular 7, ajustables entre 0ºC y
40ºC.
Por otro lado, la columna termogravitacional 2
permite la limpieza y secado del interior del espacio anular 7 sin
necesidad de que éste sea desmontado cada vez que haya que cambiar
la mezcla de fluidos 20, 21 a analizar. El proceso de limpieza se
realiza en varias etapas, primero se limpia mediante un líquido
disolvente y luego se realiza el secado con aire seco a
presión.
En las figuras 3 y 4, se muestran unos medios de
carga 3 de la mezcla de fluido 20, 21 en el interior de la columna
termogravitacional 2, diferenciándose dos tipos de fluido 20, 21;
aquellos fluidos 20 que a presión atmosférica y temperatura ambiente
están en estado líquido, y aquellas fluido 21 que a presión
atmosférica y temperatura ambiente están en estado gaseoso.
La carga de la mezcla de fluido 20, 21 debe
producirse de forma segura y controlada en velocidad en el interior
de la columna termogravitacional 2, dicha carga se realiza
controlando la presión de empuje a la mezcla de fluidos 20, 21,
logrando así eliminar las burbujas que podrían quedar encerradas en
el interior del espacio anular 7. Los medios de carga 3 comprenden
una válvula 16 acoplada a la base 9b, a través de la cual se carga
la mezcla de fluido 20, 21 al interior de la columna
termogravitacional 2, y un tubo de alimentación 17, hecho de acero,
conectado con la válvula 16.
En el caso de que la mezcla de fluidos 20 sea
líquida, los medios de carga 3, mostrados esquemáticamente en la
figura 3, comprenden además un vaso 19a que contiene la mezcla de
fluidos 20, y un dispositivo 18a para suministrar aire comprimido
que después de filtrar y secar adecuadamente es el que se encarga de
empujar a una presión controlada, la mezcla de fluidos 20
depositada en el vaso 19a.
Para la carga de fluido 21 en estado gaseoso, es
decir gases licuados, los medios de carga 3, mostrados
esquemáticamente en la figura 4, comprenden además una bombona 18b,
y una bomba de gas 19b que comunica la bombona 18b con el tubo de
alimentación 17, de modo que a través de la bomba de gas 19b se
carga la mezcla de fluidos 21 en el interior de la columna
gravitacional 2 a la presión a la cual se desea realizar el
proceso.
Por otro lado, los medios generadores de alta
presión 4, una vez que la columna termogravitacional 2 ha sido
cargada mediante los medios de carga 3 con la mezcla de fluidos 20,
21, comprime dicha mezcla de fluidos 20, 21 hasta la presión de
proceso necesaria en cada momento, pudiendo ser dicha presión hasta
5x10^{7} Pa. Además una vez alcanzado el estado estacionario, los
medios generadores de alta presión 4 se encargan de empujar el
fluido hacia los medios de extracción de muestras 5, manteniendo la
presión constante y controlando la velocidad de extracción.
Los medios generadores de alta presión 4,
mostrados en la figura 5, comprenden un dispositivo hidráulico 23,
y un intensificador de presión 24 con una relación de presiones de
1 a 5 y una capacidad de almacenar fluido a presión de 120 cc.
El dispositivo hidráulico 23 debe proporcionar
la energía hidráulica al intensificador de presión 24 que comprime
la mezcla de fluidos 20, 21 hasta alcanzar la presión de trabajo en
el interior de la columna termogravitacional 2, y empujar a dicha
mezcla de fluidos 20, 21 en el momento de la extracción de
muestras. El dispositivo hidráulico 23 comprende un cilindro
hidráulico 23b que puede avanzar y retroceder con presión y
velocidad controladas, un lector de carrera dispuesto en el cilindro
hidráulico 23b y cuya salida será procesada en un lector a través
del cual se puede leer la distancia recorrida por dicho cilindro
hidráulico 23b, una válvula reductora de presión proporcional 23d a
través de la cual se realiza el control de presión en el espacio
anular 7 en lazo cerrado de presión, y unos reguladores de caudal
23e, uno para cada sentido de desplazamiento del cilindro
hidráulico 23b. El control de la presión es necesario para lograr
mantener la presión constante durante todo el proceso de
separación.
Una vez se ha comprimido la mezcla de fluidos
20, 21 hasta la presión de proceso establecida en cada caso, se
paran los medios generadores de alta presión 4. Con esto se
consigue que el fluido 20, 21 encerrado en el espacio anular 7 no
sea distorsionado por ninguna acción externa. La instalación
termogravitacional 1 permanecerá en esta situación hasta que llegue
el momento de realizar la extracción de las muestras, momento en el
que se volverá a poner en funcionamiento los medios generadores de
alta presión 4, manteniéndose la presión constante durante la
extracción de muestras para su análisis posterior.
El diseño del intensificador de presión 24 se ha
hecho de forma que una vez finalizado el proceso, permita la
evacuación del fluido remanente, su limpieza y secado, para
asegurar que no queden residuos que pudieran contaminar la
siguiente mezcla de fluidos. El intensificador de presión 24 incluye
un evacuador de burbujas 26 que facilita la evacuación de las
burbujas de aire que puedan generarse durante el proceso de carga.
Es muy importante que el intensificador de presión 24, que
comprende una cámara de presión, asegure un cierre hermético en la
cámara de presión, ya que de lo contrario se perdería el fluido que
debe servir para empujar a las muestras a analizar.
Por último, la extracción de las muestras bajo
presión de trabajo debe realizarse de forma automática, y sin que,
durante el proceso de termodifusión, la presión a la que está
sometida la mezcla de fluidos 20, 21 sufra cambios durante la
extracción de muestras y el análisis.
Para controlar el volumen del fluido cargado en
los medios de extracción de muestras 5, es necesario conocer la
carrera realizada por el cilindro hidráulico 23b, dato que se
conoce a través del lector de carrera dispuesto en el cilindro
hidráulico 23b, de modo que una vez se haya recorrido la carrera
correspondiente al volumen a extraer, se cierra la válvula.
Para asegurar que la presión del fluido extraído
para el análisis no sufre variaciones de presión, antes de comenzar
a extraer las muestras se deben cargar unas tuberías de extracción
a presión, no representadas, con un gas que a la temperatura y
presión de proceso no haya licuado.
Los medios de extracción 5 comprenden unas
válvulas de extracción 10 que están integradas en el tubo exterior
8 de la columna termogravitacional 2. Mediante las válvulas de
extracción 10 se consigue mantener la mezcla de fluidos 20, 21 a
presión en el interior del espacio anular 7 sin riesgo de fugas,
mediante un cierre hermético metal contra metal, y evitando
volúmenes muertos que podrían entorpecer el proceso de separación,
tanto a presión atmosférica como a altas presiones.
La extracción se lleva a cabo comenzando desde
la válvula de extracción 10 más cercana a la tapa 9a de la columna
termogravitacional 2 hacia la base 9b. En la extracción se
diferencian dos etapas; una primera etapa, en la cual se saca una
cantidad necesaria para llevar a cabo el análisis, siendo la
cantidad necesaria 3 cc, y se deja dicha cantidad en la tubería de
salida encerrada entre dos válvulas, y una segunda etapa,
independiente de la columna termogravitacional 2, en la que se
analizan las muestras.
El lector de carrera del cilindro hidráulico 23b
permite controlar la cantidad necesaria de 3 cc por muestra. La
persona que controla la instalación termogravitacional 1 será la
encargada de cerrar la válvula de extracción 10 una vez el cilindro
hidráulico 23b haya recorrido la distancia establecida. Con ello se
consigue que los medios generadores de alta presión 4 empujen a la
mezcla de fluidos 20, 21 manteniendo la presión constante durante
todo el proceso.
Se procede de la misma forma con las cinco
muestras que se van a extraer. Una vez que se dispone de la
cantidad necesaria para proceder al análisis fuera de la columna
termogravitacional 2, se conecta, uno a uno, un densímetro, no
representado, a las tuberías de extracción de muestras, se empuja el
fluido extraído hacia el densímetro. De este modo, el análisis de
las muestras se lleva a cabo mediante el densímetro y una célula de
alta presión capaz de operar a altas presiones y de medirla
densidad con una precisión de 10x10^{6} g/cm^{3}.
Claims (7)
1. Instalación gravitacional adaptada para
trabajar a altas y bajas presiones que comprende una columna
termogravitacional (2) cilíndrica que incluye un tubo
exterior(8) y un tubo interior (6) que definen un espacio
anular (7), unos medios de carga (3) de una mezcla de fluidos (20,
21) en el espacio anular (7), y unos medios de extracción (5) de
muestras, caracterizado porque comprende unos medios
generadores de alta presión (4) que comprenden un dispositivo
hidráulico (23) que incluye un cilindro hidráulico (23b), y un
intensificador de presión (24) que accionado por el cilindro
hidráulico (23b) comprime la mezcla de fluidos (20, 21) en el
interior de la columna termogravitacional (2) hasta alcanzar una
presión determinada, manteniendo dicha presión en el espacio anular
(7).
2. Instalación gravitacional según la
reivindicación anterior en donde la anchura del espacio anular (7)
es variable.
3. Instalación gravitacional según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios de
extracción (5) comprenden unas válvulas de extracción (10)
integradas en el tubo exterior (8) que extraen directamente el
fluido (20, 21) desde el espacio anular (7).
4. Instalación gravitacional según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en donde la mezcla de fluidos
(20, 21) que se carga en la columna termogravitacional (2) es
líquida, a presión y temperatura ambiente.
5. Instalación gravitacional según la
reivindicación anterior, en donde los medios de carga (3)
comprenden un vaso (19a) que aloja la mezcla de fluidos (20), y un
dispositivo de aire comprimido (18a) que empuja a una presión
determinada, la mezcla de fluido (20) hacia la columna
termogravitacional (2).
6. Instalación gravitacional según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la mezcla de fluidos (20,
21) que se carga en la columna termogravitacional (2) es gaseosa, a
presión y temperatura ambiente.
7. Instalación gravitacional según la
reivindicación anterior, en donde los medios de carga (3)
comprenden una bombona (18b) que incluye la mezcla de fluidos (21),
y una bomba de gas (19b) a través de la cual se carga la mezcla de
fluidos (21) en la columna gravitacional (2) a una presión
determinada.
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---|---|---|---|
ES200600182A ES2330905B1 (es) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | Instalacion termogravitacional adaptada para trabajar altas y bajas presiones. |
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ES2330905A1 ES2330905A1 (es) | 2009-12-16 |
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Country Status (1)
Country | Link |
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ES (1) | ES2330905B1 (es) |
Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
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SU973146A1 (ru) * | 1981-01-12 | 1982-11-15 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Тепло-И Массообмена Им.А.В.Лыкова | Термодиффузионна колонка |
JP4094558B2 (ja) * | 2004-01-20 | 2008-06-04 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 自動搬送機構付き熱分析装置 |
-
2006
- 2006-01-27 ES ES200600182A patent/ES2330905B1/es active Active
Non-Patent Citations (1)
Title |
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BERT; DUPUY-PHILON: "{}Microgravity measurement of the Soret effect in a molten salts mixture"{}. Journal of Phisics: Condensed Matter. Vol 9 n$^{o}$ 50, 15.12.1997, páginas 11045-11060, resumen. * |
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RU2515218C1 (ru) | Способ испытания изделия на герметичность |
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EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20091216 Kind code of ref document: A1 |
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FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2330905B1 Country of ref document: ES |