ES2353288A1 - Dispositivo separador capacitivo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo separador capacitivo. Se describe un dispositivo para separar agua, de hidrocarburos y gases, basado en las características eléctricas de los materiales, el dispositivo hace uso de la diferente capacitancia del agua y los hidrocarburos.
Description
Dispositivo separador capacitivo.
La presente invención se refiere a un separador
capacitivo de tres fases, gases, hidrocarburos y agua para sistemas
de volumen muy reducido.
El objeto de la invención consiste en un
dispositivo basado en una pareja de sensores capacitivos y ha sido
diseñado para efectuar la separación en continuo de gases,
hidrocarburos y agua obtenidos como producto de reacciones químicas
en reactores y plantas de proceso a escala
micro-piloto o laboratorio.
A día de hoy existen sistemas industriales
capaces de realizar la separación de hidrocarburos y agua. La
aparición de estos dos compuestos en depósitos de combustible en
vehículos marítimos, durante su almacenamiento en tierra, su
transporte en viaductos o como resultado de procesos químicos es muy
habitual y su detección ha sido objeto de estudio desde hace
décadas. La necesidad de su separación por medio de dispositivos
electromecánicos es menos común, pero a pesar de ello es un problema
que ha motivado la implementación de diferentes sistemas y métodos
apoyados en múltiples principios físicos. Todos suelen estar
vinculados a su inmiscibilidad, flotabilidad y diferencia de
densidad por lo que hacen uso de principios gravitatorios o
centrífugos. En algunos casos, para conocer el nivel de cada
componente se miden magnitudes asociadas a la capacidad y la
permitividad eléctrica, etc.
El tamaño de los instrumentos, la precisión de
los mismos y el rango de presiones de trabajo a los que trabajan
suponen limitaciones críticas a la hora de utilizar estos sistemas
en plantas de proceso a escala micro-piloto o
laboratorio; donde se detectan grandes volúmenes muertos del sistema
y se hace necesario trabajar a presiones elevadas.
En la patente de invención española ES2249139 se
describe un dispositivo sensor de nivel capacitivo para separar dos
fases, una fase líquida y una gaseosa; este dispositivo presenta el
inconveniente de que sólo dispone de una sonda aislada y sólo separa
una fase líquida de una gaseosa con una precisión de nivel de medida
de hasta 100 \mum.
Centrando la situación actual de la tecnología
disponible en su aplicación al tipo de sistemas que nos ocupa, con
un volumen total de unos pocos cm^{3}, se puede afirmar que no
existe en el mercado ningún sistema separador de gases,
hidrocarburos y agua que pueda resolver con satisfacción esta
problemática dadas la especificaciones de tamaño que requiere la
misma en un equipo o reactor de laboratorio
micro-escala operando en continuo.
El dispositivo objeto de la invención está
basado en la diferente capacitancia eléctrica de estas tres fases y
en su inmiscibilidad para, a partir de estas diferencias, poder
conocer el volumen existente de cada uno de ellos, discriminándolos
y separándolos con precisión. El sistema separador objeto de la
invención permite, además obtener una salida controlada de los
gases, una reducción considerable de volúmenes muertos del sistema y
trabajar a presiones elevadas (hasta 400 bar.), aspectos de gran
relevancia para la óptima operación de los equipos menciona-
dos.
dos.
Para ello se desarrolla un dispositivo separador
que tiene un depósito que puede ser de metal, aleación metálica o de
cualquier material conductor, con una capacidad de volumen total
entre 3 y 20 cm^{3} y que cuenta, al menos con una entrada y tres
salidas; en el cual se introducen dos sondas aisladas eléctricamente
del resto del dispositivo, permitiendo el cierre hermético del
depósito para presiones inferiores a 400 bar. Dichas sondas pueden
tener un cierre con junta de material aislante.
Una de estas sondas está dedicada a medir el
nivel de hidrocarburo mientras que la otra está dedicada a medir el
nivel de agua; dichas sondas constituyen, junto con las paredes del
depósito, dos condensadores eléctricos de forma que los fluidos
contenidos en el depósito actúan como dieléctrico.
Tal y como se ha descrito anteriormente, el
funcionamiento del dispositivo separador está basado en la
capacitancia de los elementos a separar, para la medida de dicha
capacitancia el dispositivo cuenta con dos circuitos osciladores RC
que miden la variación de la capacidad eléctrica de los
condensadores eléctricos formados por las sondas de medida y las
paredes del depósito; por lo cual un primer circuito oscilador RC
mide la capacidad eléctrica del condensador eléctrico formado por la
sonda de medida de nivel de hidrocarburo y las paredes del depósito,
que genera una señal en frecuencia proporcional a dicha capacidad
eléctrica; mientras que un segundo circuito oscilador RC, análogo al
anterior, mide la variación de la capacidad eléctrica del
condensador eléctrico formado por la sonda de medida de nivel de
agua y las paredes del depósito, que genera una señal en frecuencia
proporcional a dicha capacidad eléctrica.
A diferencia del dispositivo sensor descrito en
ES2249139, el dispositivo objeto de esta invención permite separar
gases de líquidos y a su vez líquidos inmiscibles entre sí, como
agua e hidrocarburos. Para ello dispone de dos sondas, siendo la de
hidrocarburo de mayor longitud que la del agua para que la señal que
proporcione tenga un mayor rango, dado que la capacitancia de los
hidrocarburos es menor que la del agua.
Otras características diferenciadores sobre el
dispositivo citado vienen dadas por el hecho de que en el
dispositivo objeto de la invención la entrada de fluido a separar se
realiza por la abertura ubicada por debajo del nivel que alcanzan en
estado estacionario las dos fases líquidas a separar, lo cual
favorece la condensación de los compuestos condensables; a su vez la
sonda de agua se introduce por un lateral del depósito por lo que la
señal de esta sonda no se ve afectada por la acumulación de posibles
residuos sólidos, que en el caso del dispositivo objeto de la
invención son evacuados por el fondo del depósito junto con el agua
separada. Esta disposición de la sonda de agua evita que los
líquidos, una vez condensados, caigan sobre la misma afectando a la
señal que proporciona.
Asimismo el dispositivo dispone de dos circuitos
osciladores RC de referencia que trabajan en paralelo y a la misma
temperatura que los circuitos osciladores RC citados; por tanto
tenemos un circuito oscilador RC de referencia, que trabaja en
paralelo y a la misma temperatura que el circuito oscilador de la
sonda de hidrocarburo y que permite compensar los errores debidos a
variaciones de la temperatura del circuito RC de medida de nivel de
hidrocarburo y un circuito oscilador RC de referencia análogo al
anterior, que trabaja en paralelo y a la misma temperatura que el
circuito oscilador de la sonda de agua y que permite compensar los
errores debidos a variaciones de la temperatura del circuito RC de
medida de nivel de agua.
Para que el dispositivo separador realice las
medidas necesarias se dispone de dos dispositivos electrónicos de
medida, uno dedicado a la medida del nivel de hidrocarburo y el otro
a la medida del nivel de agua. Cada uno de ellos capaces de
convertir dos señales en frecuencia (una de medida de nivel y otra
de compensación térmica) en señales eléctricas capaces de ser leídas
por dispositivos típicos de lectura (displays) o de control
(controladores) que pueden actuar sobre los medios de salida
correspondientes, los de salida de hidrocarburos y los de salida de
agua.
Como disposición adicional, y si se hiciera
necesario, el dispositivo puede incorporar un sistema de
refrigeración, como por ejemplo un sistema basado en células
Peltier.
El dispositivo descrito permite trabajar con un
reducido volumen muerto en sistemas donde se trabaja a altas
presiones.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una representación
esquemática de una sección del alzado correspondiente al dispositivo
separador objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra una representación
esquemática de una sección del alzado del dispositivo separador
objeto de la invención una vez montado.
Figura 3.- Muestra una representación
esquemática de las señales y elementos de control del sistema.
A la vista de las figuras se describe a
continuación un modo de realización preferente del dispositivo
separador objeto de esta invención.
Se realiza una serie de mecanizados en un cuerpo
(1) preferiblemente metálico para generar en su interior un depósito
(2) de geometría compleja y una capacidad de unos 10 cm^{3}, tal y
como se observa en la figura 1, preferentemente de acero inoxidable,
cuya geometría corresponde a un paralelepípedo rectangular con un
rebaje lateral que facilita el alojamiento de una sonda de agua
(10). El depósito (2) obtenido consta de una parte horadada
longitudinalmente y otra oblicuamente. Ambas poseen un diámetro de 9
mm y confluyen a la altura donde se encuentra una entrada de fluido
(7).
El depósito (2) actúa como condensador térmico
para separar tres fases, dos fases líquidas (hidrocarburos y agua) y
una fase gaseosa. A ambos lados del depósito se encuentran dos
sondas (9) y (10). El depósito (2) está horadado en una pieza maciza
(1), cuya geometría corresponde a un paralelepípedo rectangular,
observándose en este esquema la apertura superior roscada (3) por
donde se introduce una sonda de hidrocarburo (9) dedicada a la
medición del nivel de hidrocarburo, y una apertura lateral roscada
(4) por donde se introduce una sonda de agua (10), una entrada de
fluido (7), por donde se introduce la corriente de fluido a separar,
y tres medios de salida (5), (6) y (8), por donde salen
respectivamente los gases, los hidrocarburos y el agua.
A la vista de la figura 2, la especial
configuración paralelepípeda del cuerpo (1), posibilita su
refrigeración para que actúe como condensador térmico, de manera que
el depósito (2) opera como un separador líquido-gas,
condensando en sus paredes internas los compuestos de mayor punto de
condensación, que son introducidos en dicho depósito (2) por la
entrada de fluido (7) y recogiéndose el líquido en su parte
inferior. Al tener la mezcla líquida compuestos inmiscibles de
diferente densidad, los más ligeros formados por una mezcla de
hidrocarburos (16), quedan flotando sobre el más pesado, en este
caso agua (15).
La refrigeración del depósito (2) se lleva a
cabo mediante una célula Peltier (no mostrada) poniendo en contacto
la cara fría de dicha célula con una de las caras de mayor
superficie de la pieza maciza (1) en la que se ha horadado el
depósito (2). Para conseguir la disminución de temperatura en este
cuerpo (1), y como consecuencia en el depósito (2), se aplica una
diferencia de potencial entre las placas de la célula Peltier, lo
que genera una diferencia de temperatura entre dichas placas de
aproximadamente 30ºC (efecto Peltier). De esta forma, una de las
placas (la que no se encuentra en contacto con el cuerpo (1)) podría
incrementar su temperatura, calor que deberá eliminarse utilizando
un disipador de calor por convección forzada para evacuar las
calorías extraídas. La temperatura de la placa fría (en contacto con
le cuerpo (1)) bajará entonces hasta -5ºC consiguiendo así una
temperatura en dicho cuerpo (1) próxima a los 0ºC y gracias a ello
la condensación de los compuestos de punto de condensación igual o
superior a esta temperatura.
Seguidamente se construyen la sonda de agua (10)
y la sonda de hidrocarburo (9) partiendo de dos piezas macizas de
acero inoxidable de 3 mm. de diámetro y 175 mm. y 140 mm. de
longitud respectivamente. Sobre estas piezas se acoplan piezas
aislantes de teflón una primera pieza aislante (11) y una segunda
pieza aislante (12) obtenidas con un torno de precisión a partir de
cilindros macizos de de este material, así como los racores
necesarios, un primer racor (13) y un segundo racor (14) para lograr
el cierre del depósito (2) una vez que las sondas (9, 10) han sido
introducidas en él. La parte inferior de la sonda de hidrocarburos
(9) se introduce en el depósito (2) por la parte superior de éste
(3) y la parte inferior de la sonda de agua (10) se introduce en la
zona del rebaje por el orificio (4). Ambas sondas quedan aisladas
eléctricamente de las paredes del depósito (2) mediante las piezas
de material aislante (11) y (12) que además reducen el volumen
muerto del depósito (2).
Las sondas (9, 10) cuentan con un sistema de
cierre roscado y con una junta elastomérica, compatible con un
amplio número de sustancias químicas, lo que posibilita el cierre
del depósito (2), y su aislamiento del exterior cuando así se
requiere, aún cuando la presión en el interior del mismo alcanza los
400 bar.
A continuación se montan cuatro circuitos
osciladores según el esquema reflejado en la figura 3, donde cada
uno de ellos dispone respectivamente de: un condensador de medida de
agua (33), un condensador de medida de hidrocarburos (34), un
condensador de referencia de agua (24) y un condensador de
referencia de hidrocarburos (23) con los que se obtendrán cuatro
señales en frecuencia. Una es proporcional al nivel de agua y es una
señal de nivel de agua (28), otra es una señal de referencia del
nivel de agua (27) que se utiliza para compensar la deriva originada
por la variación de temperatura en el circuito oscilador de la sonda
de agua, una tercera es proporcional al nivel de hidrocarburo, una
señal de nivel de hidrocarburos (25) y la cuarta y última es una
señal de referencia del nivel de hidrocarburos (26) que se utilizará
para compensar la deriva originada por la variación de temperatura
en el circuito oscilador de la sonda de hidrocarburo. En un módulo
de medida de nivel de hidrocarburo (29) se introducen las dos
señales (25) y (26) generadas para medir el nivel de hidrocarburo y
éste proporciona una señal eléctrica 4-20 mA capaz
de ser leída por un módulo de control de salida de hidrocarburos
(31), que regula la salida del hidrocarburo condensado en el
depósito. Análogamente para el agua, un módulo de medida de nivel de
agua (30) recibe las dos señales (27) y (28) generadas para medir el
nivel de agua y éste proporciona una señal eléctrica
4-20 mA capaz de ser leída por un módulo de control
de salida de agua (32) que regula la salida del agua condensada en
el depósito.
La parte superior de cada una de las sondas (9,
10) harán de contacto eléctrico de cada uno de los conductores (21,
22) de cada condensador eléctrico (23, 24). El cuerpo (1) es común a
ambas sondas (9, 10) y actúa como un conductor (19) común.
Claims (7)
1. Dispositivo separador capacitivo
caracterizado porque comprende:
- -
- un cuerpo (1) que tiene practicados una apertura superior roscada (3), una apertura lateral roscada (4), una entrada de fluido (7) adaptada para permitir la introducción de un fluido a separar y al menos tres medios de salida (5, 6, 8) adaptados para dar salida respectivamente a gases, hidrocarburo y agua,
- -
- un depósito (2) definido en el cuerpo (1),
- -
- un primer circuito oscilador que comprende al menos un condensador de medida de hidrocarburos (34) que comprende las paredes del depósito (2) a modo de un conductor (19), hidrocarburo (18) a modo de dieléctrico, y una sonda de hidrocarburo (9) fijada en la apertura superior roscada (3) que llega al interior del depósito (2) a modo de conductor de medida de hidrocarburos (21), adaptado para generar una señal de nivel de hidrocarburos (25),
- -
- un segundo circuito oscilador que comprende al menos un condensador de medida de nivel de agua (33) que comprende las paredes del depósito (2) a modo de conductor (19), agua (20) a modo de dieléctrico, y una sonda de agua (10) fijada en la apertura lateral roscada (4) que llega al interior del depósito (2) a modo de segundo conductor de medida de agua (22), adaptado para generar una señal de nivel de agua (28),
- -
- un primer circuito oscilador de referencia en paralelo al segundo circuito oscilador y que a su vez comprende un condensador de referencia de hidrocarburos (23) adaptado para generar una señal de referencia del nivel de hidrocarburos (26),
- -
- un segundo circuito oscilador de referencia en paralelo al primer circuito oscilador y que a su vez comprende un condensador de referencia de agua (24) adaptado para generar una señal de referencia del nivel de agua (27),
- -
- un módulo de medida de nivel de agua (30) encargado de recibir las señales de agua (27, 28) conectado a un módulo de control de salida de agua (32) que actúa sobre los medios de salida de agua (8), y
- -
- un módulo de medida de nivel de hidrocarburo (29) encargado de recibir las señales de hidrocarburos (25, 26) conectado a un módulo de control de salida de hidrocarburos (31) que actúa sobre los medios de salida de hidrocarburo (6).
2. Dispositivo según reivindicación 1
caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema de
refrigeración destinado a refrigerar la pieza maciza (1) y el
depósito (2).
3. Dispositivo según reivindicación 2
caracterizado porque el sistema de refrigeración comprende al
menos una célula Peltier cuya cara fría está en contacto con la
pieza maciza (1).
4. Dispositivo según reivindicación 1
caracterizado por que la pieza maciza (1) y las sondas (9,
10) son de un material seleccionado entre: un metal, una aleación
metálica y un material conductor.
5. Dispositivo según reivindicación 4
caracterizado porque las piezas de metal de las sondas (9,
10) son de acero inoxidable.
6. Dispositivo según reivindicación 5
caracterizado porque las sondas (9, 10) comprenden un cierre
con una junta de material aislante.
7. Uso del dispositivo descrito en una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores como dispositivo
separador de hidrocarburos y agua en plantas a escala micropiloto o
laboratorios operando en continuo.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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