ES2963071T3 - Dispositivo de separación para separar un fluido - Google Patents
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Abstract
Según la presente invención, se proporciona un dispositivo de separación para separar un fluido, comprendiendo dicho fluido múltiples componentes, en al menos dos componentes que comprenden: una estructura de soporte; al menos un conducto montado sobre o dentro de dicha estructura de soporte para rotación alrededor de un eje; al menos una entrada para introducir un flujo de dicho fluido en dicho al menos un conducto; y al menos una salida para sacar al menos uno de dichos componentes del mismo; en el que dicho al menos un conducto está configurado de manera que, en uso, cuando dicho flujo de dicho fluido se aplica al mismo, se hace que dicho conducto gire sobre o dentro de dicha estructura de soporte alrededor de dicho eje, separando así dicho fluido en al menos dos componentes. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de separación para separar un fluido
Esta invención se refiere a un dispositivo de separación adecuado para separar un fluido, comprendiendo el citado fluido múltiples componentes, en al menos dos componentes y a un procedimiento de separación del citado fluido en al menos dos componentes.
La separación de una mezcla de fluidos en partes componentes es un proceso industrial importante en muchas aplicaciones, por ejemplo en procesos de purificación y extracción. En el mercado de la exploración y producción del petróleo y el gas, por ejemplo, es necesario estabilizar los múltiples fluidos producidos en el pozo (principalmente mediante la reducción de la presión) y tratar los flujos de gas y líquido separados para cumplir las especificaciones de exportación. En el caso de la corriente líquida, hay que eliminar del crudo las impurezas, tales como sales, arena y agua, así como cualquier gas en disolución. Estas impurezas pueden reducir el valor del crudo y tener un efecto perjudicial (tal como la corrosión y la erosión) en los equipos posteriores. Del mismo modo, en el caso de la corriente de agua asociada, es necesario eliminar el petróleo y el gas presentes en el agua, y a veces también cualquier ele mento particulado, tal como la arena, para cumplir los límites especificados exigidos para el procedimiento de elimi nación seleccionado. Por lo tanto, es muy importante eliminar los contaminantes de la mezcla de fluidos extraída.
La separación de una mezcla de fluidos estática se producirá de forma natural por medio de la fuerza de la grave dad. La fuerza de accionamiento natural de las gotas de líquido, partículas sólidas o burbujas de gas que ascienden o descienden a través de una fase principal líquida o gaseosa viene definida por la Ley de Stokes (ecuación 1).
r _ 2 (P<p>Pf)<7 n 2>
üdR<(1)>
En esta ecuación, Vs es la velocidad de sedimentación de la partícula, gota o burbuja (ms-1);ppes la densidad másica de la partícula, gota o burbuja (kgm-3);pfes la densidad másica del fluido (kgm-3);ges la aceleración de la grave dad (ms-2);Res el radio de la partícula, gota o burbuja (m); yyes la viscosidad dinámica del fluido (kgm-1 s-1). La ecuación 1 indica que la velocidad de sedimentación es directamente proporcional a la aceleración de la gravedad. Por lo tanto, un aumento de la aceleración de la gravedad aumentará la velocidad de sedimentación y reducirá pro porcionalmente el tiempo de separación. Las técnicas de separación, tal como los hidrociclones y las centrífugas, se basan en impartir una gran aceleración gravitatoria a los fluidos para separar una mezcla de fluidos en sus compo nentes individuales.
Los hidrociclones, denominados en la presente memoria descriptiva y en lo que sigue como ciclones, son dispositi vos de separación estática que utilizan fuerzas centrífugas para separar una mezcla de fluidos en al menos dos componentes. En la figura 1 se muestra un ciclón típico que consta de una primera cámara cilíndrica (o cámara de remolino)100,una cámara de separación110,una tobera de entrada120,una tobera de salida de desbordamien to130y una tobera de salida de flujo superior140.La tobera de entrada120es típicamente tangencial a la primera cámara cilíndrica (o cámara de remolino)100.Para un rendimiento óptimo, la cámara de separación110suele ser cónica o ahusada. La tobera de salida del rebosadero, normalmente cerca de la entrada del ciclón, también puede incluir un localizador de vórtices150.La mezcla de fluidos entra a presión en la primera cámara cilíndrica (o cámara de remolino) a través de la tobera de entrada tangencial. La cámara de remolino ayuda a inducir un giro rotacional en la mezcla de fluidos antes de que la mezcla de fluidos entre en la cámara de separación. El giro rotacional en la entrada hace que el perfil de flujo del fluido forme un vórtice libre en la cámara de separación, en el que las fuerzas centrífugas actúan para separar el fluido en componentes de diferentes densidades. Las fuerzas centrífugas hacen que las partículas o fases más densas se concentren hacia las paredes de la cámara de separación cónica y que las partículas o fases menos densas se acumulen hacia el eje de rotación del vórtice. Típicamente, los componentes más densos fluyen hacia el fondo de la cámara de separación cónica, en el que pueden ser eliminados a través de la tobera de salida del desbordamiento 130. Las fases menos densas fluyen hacia la parte superior de la cámara de separación cónica, en donde pueden ser extraídas a través del localizador de vórtices / tobera de salida del rebosa dero.
Los ciclones líquido/líquido pueden ser utilizados, por ejemplo, para separar las gotas de aceite del agua; sin embar go, la eficacia de eliminación de las gotas disminuye rápidamente para las gotas de aceite con un diámetro inferior a unas 20 ^m. En los ciclones líquido / líquido, la fase líquida más ligera junto con el gas libre, pasan a través del loca lizador de vórtices a la salida de rebose. La fase líquida más pesada se elimina a través de la salida del desborda miento. En los ciclones líquido/sólido y gas/sólido, el componente a granel, es decir, la fase líquida y gaseosa res pectivamente, pasa a través de un localizador de vórtices a la salida del rebosadero. Los componentes sólidos más densos se eliminan a través de la salida del desbordamiento. Tanto en los ciclones líquido/líquido como los líqui do/sólido, las paredes cónicas del ciclón ayudan a mantener las fuerzas de aceleración a lo largo de la longitud del ciclón. Sin embargo, esto se traduce en una mayor caída de presión entre las toberas de entrada y salida. Esta caí da de presión puede dar lugar a problemas de diseño del sistema, por ejemplo, si no se dispone de suficiente pre sión en el sistema, puede ser necesario un conjunto de bombas aguas arriba que aumente el tamaño y el coste del equipo necesario.
En el mercado de exploración y producción del petróleo y gas, los fluidos producidos por un pozo, que suelen llegar a alta presión, son una combinación de petróleo, gas, agua y partículas sólidas. Lo más habitual es eliminar las go tas de petróleo del agua producida en los yacimientos petrolíferos mediante ciclones líquido/líquido, y las partículas sólidas mediante ciclones líquido/sólido. Los ciclones líquido/líquido (paquete de desaceitado) y los ciclones líquido/sólido (paquete de desarenado) se suministran como piezas separadas y discretas del equipo. En algunos casos, especialmente en alta mar, las limitaciones de peso y espacio pueden impedir el uso de dos paquetes separados de desaceitado y desarenado. Además, una presión inadecuada del sistema aguas arriba puede limitar el funciona miento de los ciclones en lo que respecta a su eficiencia óptima de separación.
Las centrífugas proporcionan un procedimiento centrífugo alternativo para separar una mezcla de fluidos en sus partes componentes, en el que la separación se consigue mediante la rotación de la pared del separador. La fuerza centrífuga creada obliga a los componentes más densos a acumularse hacia las paredes de la cámara de separa ción y a los menos densos a concentrarse hacia el eje de rotación. La energía para hacer rotar la cámara se propor ciona por medio de un eje accionado por un motor. La fuente de alimentación externa y el motor necesarios para conseguir las fuerzas centrífugas adecuadas pueden aumentar considerablemente el tamaño y el coste de fabrica ción y funcionamiento de la centrífuga. Debido a la relativa complejidad de su diseño mecánico y a la necesidad de un accionamiento por motor, con sus correspondientes juntas, cojinetes, circuitos de lubricación y refrigeración, las centrífugas son bastante más caras, pesan más y ocupan más espacio que un ciclón diseñado para la misma capa cidad. Las centrífugas suelen establecer un flujo rotatorio en masa de la mezcla de fluidos normalmente sin el vórtice libre que se establece en un ciclón. Esto puede dar lugar a fuerzas centrífugas inferiores y a una menor eficiencia de separación en las proximidades del eje en comparación con un ciclón para el mismo caudal.
Las centrífugas pueden diseñarse para proporcionar fuerzas de aceleración gravitatoria más elevadas en compara ción con los ciclones y, por lo tanto, teóricamente lograr mayores eficiencias de separación, por ejemplo, en la sepa ración de gotas de agua del petróleo crudo, las centrífugas pueden eliminar gotas de agua con un diámetro en el rango de 2 pm y superiores. Las centrífugas se han utilizado en tareas de separación difíciles en aplicaciones de producción de petróleo, tal como en yacimientos de petróleo pesado en los que la densidad del petróleo es cercana a la densidad del agua y está más allá de las capacidades de separación de un hidrociclón. Sin embargo, estos diseños de centrífugas suelen estar limitados a un rendimiento relativamente bajo y a presiones de funcionamiento relativamente bajas, normalmente a la presión atmosférica o cerca de ella. Las centrífugas también suelen requerir bombas de alimentación de entrada específicas, lo que aumenta aún más el tamaño, los costes de fabricación, los costes de funcionamiento y el consumo de energía de la maquinaria.
El documento US2006/0096933 divulga un separador y un procedimiento de acuerdo con los cuales las sustancias que tienen densidades relativamente altas se separan de una corriente de flujo presurizada. El documento FR904772 divulga una centrífuga de fluidos. El documento US4230581 divulga un separador centrífugo para elimi nar un sólido disperso de una fase líquida mediante la acción combinada de un ciclón y una centrífuga, estando montada la centrífuga coaxialmente sobre el ciclón.
De esta manera, los dispositivos y los procedimientos conocidos para separar una mezcla de fluidos en partes com ponentes tienen un número de limitaciones asociadas con los mismos, y los aspectos de la actual invención, en por lo menos algunos de sus realizaciones, intentan tratar por lo menos algunos de los problemas y de los deseos que se han descrito más arriba.
De acuerdo con el primer aspecto de la invención se proporciona un dispositivo de separación para separar un flui do, comprendiendo el citado fluido múltiples componentes, en al menos dos componentes, que comprenden:
una estructura de soporte;
al menos un tubo de separación montado sobre o dentro de la citada estructura de soporte para su rotación alrededor de un eje, en el que el citado al menos un tubo de separación comprende uno o más álabes uni dos o formados integralmente con el citado tubo de separación;
al menos una entrada para introducir un flujo del citado fluido en el citado al menos un tubo de separación; y
al menos una salida para la salida de al menos uno de los citados componentes, en la que la al menos una salida comprende una salida de desbordamiento, y la salida de desbordamiento comprende un localizador de vórtice;
en el que el citado al menos un tubo de separación está configurado de tal manera que, en uso, cuando el citado flujo del citado fluido se aplica al mismo, el citado tubo de separación se hace rotar sobre o dentro de la citada estructura de soporte alrededor del citado eje, separando de esta manera el citado fluido en al menos dos componentes, en el que la rotación del tubo de separación (14, 54) junto con cualquier giro ro tacional inducido en la entrada (16, 56, 57) mantiene o aumenta un perfil de flujo en espiral o rotativo del fluido, y la rotación del fluido dentro del tubo de separación (14, 54) establece un vórtice en el fluido con lo que una fuerza centrífuga hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia las paredes del tubo de separación (14, 54) mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del citado eje (13) y son extraídos de cerca del citado eje (13) por el localizador de vórtices (30).
El citado al menos un tubo de separación puede estar configurado de tal manera que, en uso, cuando el citado flujo del citado fluido que tiene un componente de velocidad distinto de cero en una dirección paralela al citado eje se aplica al mismo, el citado tubo de separación se hace rotar sobre o dentro de la citada estructura de soporte alrede dor del citado eje, separando de esta manera el citado fluido en al menos dos componentes.
El citado al menos un tubo de la separación se puede configurar de tal modo que, en uso, cuando un flujo del citado fluido en una dirección substancialmente paralela al citado eje se aplica al mismo, se hace que el citado conducto rote en o dentro de la citada estructura externa de soporte sobre el citado eje, separando de este modo el citado líquido en por lo menos dos componentes.
El fluido puede estar compuesto por al menos una fase líquida. El fluido puede estar compuesto por al menos dos fases líquidas. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa y una fase oleosa. El fluido puede estar com puesto por al menos una fase gaseosa. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa, una fase oleosa y una fase gaseosa. El fluido puede estar compuesto por al menos una fase sólida. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa, una fase oleosa, una fase gaseosa y una fase sólida, o cualquier combinación de las mismas. El tubo de separación puede tener un diámetro constante o variable a lo largo de su longitud. El tubo de separación puede tener un diámetro interno constante o variable a lo largo de su longitud. El tubo de separación puede tener un diámetro exterior constante o variable a lo largo de su longitud. El tubo de separación puede ser un tubo cilíndrico. El al menos un tubo de separación comprende uno o más álabes unidos o formados integralmente con el citado tubo de separación. Los álabes pueden ser álabes de turbina, impulsores, propulsores, estatores, componentes internos en espiral, nervaduras, aletas o similares, o cualquier combinación de los mismos (todos ellos denominados gene ralmente álabes en la presente memoria descriptiva ).
Los citados álabes pueden estar unidos o formados integralmente con una superficie interior de citado tubo de sepa ración.
Los citados álabes pueden comprender un eje central. Los álabes pueden girar libremente alrededor del eje central. El eje central puede incluir al menos una entrada o una salida.
El al menos un tubo de separación puede estar montado sobre cojinetes. Los cojinetes pueden estar en contacto con la superficie exterior o interior del tubo de separación. Los cojinetes pueden instalarse junto con un tipo adecua do de junta.
La estructura de soporte puede ser una estructura de soporte interior de tal manera que esté dispuesta dentro de al menos un tubo de separación. La estructura de soporte puede ser una estructura de soporte exterior, de manera que esté situada fuera de al menos un tubo de separación. La estructura de soporte puede comprender una carcasa. El al menos un tubo de separación puede montarse sobre cojinetes dentro o fuera de la estructura de soporte o de la carcasa.
La al menos una salida comprende una salida de desbordamiento. La salida del rebosadero comprende un localiza dor de vórtices.
La al menos una salida puede comprender una salida de flujo inferior.
La al menos una entrada puede ser tangencial a el al menos un tubo de separación.
El dispositivo de separación puede comprender además una cámara de entrada. La cámara de entrada puede ser una cámara de remolino. La cámara de remolino ayuda a inducir un giro rotacional en el fluido antes de que éste entre en el tubo de separación. El giro rotacional del fluido inducido por la cámara de remolino puede mejorarse mediante el uso de una entrada tangencial.
El diámetro de al menos un tubo de separación puede estar comprendido entre 3 mm y 3 m.
El diámetro del citado al menos un tubo de separación puede estar comprendido preferentemente entre 30 mm y 60 mm.
La longitud de al menos un tubo de separación puede estar comprendida entre 40 mm y 3 m.
La longitud de al menos un tubo de separación puede estar comprendida preferentemente entre 0,5 m y 1,1 m. El al menos un tubo de separación puede ser una pluralidad de tubos de separación.
La al menos una entrada puede introducir un flujo del citado fluido a la citada pluralidad de tubos de separación. El dispositivo de separación puede comprender además un generador. El generador puede ser externo. El al menos un tubo de la separación se puede configurar de tal manera que, en uso, cuando el flujo del citado fluido se aplica al mismo, se hace rotar al citado tubo de separación alrededor del citado eje, haciendo de esta manera que el genera dor genere energía eléctrica.
El dispositivo de separación puede comprender además un dispositivo de generación de campo electrostático para generar un campo electrostático de modo que el fluido experimente una fuerza electrostática que mejore la eficacia de separación del dispositivo de separación. El campo electrostático puede suministrarse de forma que al menos un componente del fluido se aglutine. El al menos un componente que se aglutina puede comprender gotitas, partículas o burbujas. El al menos un componente que se aglutina puede ser una fase líquida, preferiblemente una fase acuo sa. El dispositivo de separación puede comprender además un aglutinador electrostático adecuado para aglutinar electrostáticamente al menos un componente del fluido.
La energía eléctrica para generar el campo electrostático puede ser generada, al menos parcialmente, por el gene rador.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención se proporciona un procedimiento para separar un fluido, com prendiendo el citado fluido múltiples componentes, en al menos dos componentes utilizando un dispositivo de sepa ración de acuerdo con el primer aspecto de la invención, comprendiendo el procedimiento los pasos de:
introducir un flujo del citado fluido en el citado tubo de separación, a través de la citada entrada; hacer de esta manera que el citado tubo de separación rote sobre o dentro de la citada estructura de sopor te alrededor del citado eje, separando de esta manera el citado fluido en al menos dos componentes, en el que la rotación del tubo de separación (14, 54) junto con cualquier giro rotacional inducido en la entrada (16, 56, 57) mantiene o aumenta un perfil de flujo en espiral o rotativo del fluido, y la rotación del fluido den tro del tubo de separación (14, 54) establece un vórtice en el fluido con lo que una fuerza centrífuga hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia las paredes del tubo de separación (14, 54) mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del citado eje (13) y son extraídos de cer ca del citado eje (13) por el localizador de vórtices (30).
El citado flujo puede tener un componente de velocidad distinto de cero en una dirección paralela al citado eje de rotación.
El citado flujo puede estar en una dirección sustancialmente paralela al citado eje de rotación.
El fluido puede estar compuesto por al menos una fase líquida. El fluido puede estar compuesto por al menos dos fases líquidas. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa y una fase oleosa. El fluido puede estar com puesto por al menos una fase gaseosa. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa, una fase oleosa y una fase gaseosa. El fluido puede estar compuesto por al menos una fase sólida. El fluido puede estar compuesto por una fase acuosa, una fase oleosa, una fase gaseosa y una fase sólida, o cualquier combinación de las mismas. La al menos una fase puede comprender gotitas, partículas o burbujas con un diámetro predominantemente superior a 2 |jm. Es decir, al menos la mitad de las gotitas, partículas o burbujas pueden tener un diámetro superior a 2 jm. La diferencia de presión entre una entrada y una salida depende de varios parámetros, tales como el diámetro y la longitud del tubo de separación, el caudal de fluido y la velocidad de rotación del tubo de separación. El dispositivo de separación puede diseñarse para aprovechar al máximo la presión disponible en el sistema con el fin de optimizar su rendimiento. En algunas realizaciones, la presión del fluido en al menos una salida no puede ser inferior en más de 0,8 bar a la presión del fluido en al menos una entrada.
El paso de hacer que citado tubo de separación rote alrededor del citado eje puede hacer que un generador genere energía eléctrica.
Se puede generar un campo electrostático para que el fluido experimente una fuerza electrostática, lo que aumenta la eficacia de separación del dispositivo de separación. El campo electrostático puede suministrarse de forma que al menos un componente del fluido se aglutine. El al menos un componente que se aglutina puede comprender gotitas, partículas o burbujas. El al menos un componente que se aglutina puede ser una fase líquida, preferiblemente una fase acuosa. El procedimiento puede comprender además la aglutinación electrostática de al menos un componente del fluido.
La energía eléctrica para suministrar el campo electrostático puede ser generada, al menos parcialmente, por el generador.
Aunque la invención se ha descrito más arriba, se extiende a cualquier combinación inventiva de las características que se han expuesto más arriba, o en la siguiente descripción, dibujos o reivindicaciones. Por ejemplo, cualquier característica descrita en relación con un aspecto de la invención se considera divulgada también en relación con cualquier otro aspecto de la invención.
A continuación se describirán realizaciones de la presente invención, únicamente a modo de ejemplo, y con referen cia a los dibujos que se acompañan, en los que:
la figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un ciclón (estado de la técnica);
la figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de una primera realización ejemplar de un dis positivo de separación adecuado para separar un fluido, comprendiendo el citado fluido múltiples compo nentes, dentro de al menos dos componentes;
la figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de una segunda realización ejemplar de un dispositivo de separación que no comprende una carcasa;
la figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de una tercera realización ejemplar de un dis positivo de separación con álabes fuera del tubo de separación.
la figura 5 es una vista esquemática de una tercera realización ejemplar de un dispositivo de separación que contiene una multiplicidad de tubos de separación;
la figura 6 es una vista esquemática en sección transversal de una cuarta realización ejemplar de un dispo sitivo de separación que contiene una multiplicidad de tubos de separación en una orientación horizontal; y la figura 7 es una vista esquemática en sección transversal de una realización ejemplar de un dispositivo de separación unido a un generador.
En la figura 2 se muestra una primera realización ejemplar de la invención. El dispositivo de separación10comprende una estructura de soporte exterior12,un conducto tal como un tubo de separación14,una tobe ra de entrada16,una tobera de salida de desbordamiento18y una tobera de salida de flujo superior20.En esta realización, el tubo de separación14es un tubo cilindrico, aunque la invención no está limitada por la geometría del tubo de separación. El tubo de separación14puede rotar alrededor de su eje longitudinal13en relación con la es tructura de soporte exterior12.Cuando se utiliza, el tubo de separación14contiene una mezcla de fluidos. La rotación del tubo de separación14junto con cualquier flujo rotacional inducido en el fluido a la entrada del tubo de sepa ración genera una fuerza centrífuga que hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia las paredes del tubo de separación14mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del eje de rotación13.El tubo de separación14está montado sobre o dentro de la estructura de soporte exterior12por medio de una serie de cojinetes22,que permiten la rotación libre del tubo de separación, minimizan la fricción y reducen la tasa de desgaste mecánico entre el tubo de separación rotativo14y la estructura de soporte exterior12.La estructu ra de soporte exterior12y el tubo de separación14pueden estar diseñados para soportar toda la presión del siste ma aguas arriba. En algunas realizaciones, la estructura de soporte exterior12puede comprender una carca sa15,que puede estar diseñada para soportar toda la presión del sistema aguas arriba, en cuyo caso la presión de diseño del tubo de separación14podría reducirse. La figura 3 muestra una segunda realización ejemplar de un dispositivo de separación en el que la estructura de soporte exterior12no comprende una carcasa. Cuando se han utilizado los mismos números de referencia en diferentes realizaciones ejemplares, los números de referencia co rresponden a características que son idénticas. En otra realización, el tubo de separación14puede montarse en cada extremo de la estructura de soporte exterior12sobre un eje central.
El fluido entra en la cámara de entrada24a través de la tobera de entrada16.La cámara de entrada24es preferiblemente cilíndrica. La tobera de entrada16es preferentemente tangencial (ya sea en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario) a la cámara de entrada cilíndrica24,de forma que el giro rotacional del fluido se esta blece parcial o totalmente antes de entrar en el tubo de separación14.Otras realizaciones pueden incluir un disposi tivo de entrada, tal como una cámara de remolino, en la cámara de entrada24,y un dispositivo de salida en la cá mara de salida25.El dispositivo de entrada o cámara de remolino ayuda a inducir un giro rotacional en el fluido de entrada antes de que el fluido entre en el tubo de separación. El dispositivo de entrada o cámara de remolino puede incluir un localizador de vórtices. El dispositivo de salida ayuda a segregar los componentes separados del fluido de entrada.
La tobera de entrada16puede estar orientada axialmente. Sin embargo, la invención no está limitada por la orienta ción de la tobera de entrada16ni por la incorporación de un dispositivo de entrada, tal como una cámara de remolino. El fluido es forzado bajo presión desde la cámara de entrada24hacia el tubo de separación14.El orificio in terno del tubo de separación14comprende álabes26que están unidos a la superficie interna del tubo de separa ción 14 o forman parte integral de ella. Puede incluirse un eje central28para proporcionar soporte a los ála bes26.En algunas realizaciones, los álabes26pueden rotar libremente alrededor del eje central28y otros compo nentes internos. El eje central28puede estar configurado como un tubo para permitir la extracción del fluido recogido en el núcleo central o para permitir la inyección de un fluido externo. A medida que el fluido fluye a lo largo del tubo de separación14, y a través de los álabes26,se genera una fuerza rotacional que hace que el tubo de separa ción14rote alrededor de su eje longitudinal. Los álabes26se sitúan preferentemente, aunque no necesariamente, en el extremo aguas abajo del tubo de separación14para minimizar las turbulencias y las fuerzas de cizallamiento en la sección de separación del tubo de separación14.En una realización ejemplar, mostrada en la figura 4, los álabes27están unidos o formados integralmente con el extremo de la sección transversal aguas abajo del tubo de separación14.En esta realización, los álabes27están situados en la cámara de salida25y no en el orificio interno del tubo de separación14.En otras realizaciones, los álabes pueden estar situados en la cámara de entrada24y unidos al extremo de la sección transversal aguas arriba del tubo de separación14.Los álabes26o27pueden estar configurados de tal manera que ellos, y por lo tanto el tubo de separación14,se hagan girar cuando se someten a un flujo de fluido que tiene una componente de velocidad distinta de cero paralela al eje de rotación, es decir, una componente de velocidad axial. En otra realización, los álabes26o27pueden estar configurados de tal manera que ellos, y por lo tanto el tubo de separación14,se hacen rotar cuando se someten a un flujo de fluido que tiene un componente de velocidad distinto de cero perpendicular al eje de rotación, es decir, un componente de velocidad radial. Cuando se dispone de suficiente presión de entrada, pueden instalarse álabes adicionales26para aumentar la velocidad de rotación del tubo, y la fuerza centrífuga resultante. Si un tiempo de residencia más largo pudiera ser beneficioso, o si se considera beneficioso para el proceso, la longitud o el diámetro del tubo de separación14podría aumentarse.
La rotación del tubo de separación14junto con cualquier giro rotacional inducido en la entrada del fluido mantiene o aumenta el perfil de flujo espiral o rotativo del fluido. La rotación de la mezcla de fluidos dentro del tubo de separa ción14establece un vórtice en la mezcla de fluidos. Una fuerza centrífuga hace que los componentes más densos de la mezcla de fluidos se acumulen hacia las paredes del tubo de separación14, mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del eje de rotación. Los componentes más densos de la mezcla de fluidos pueden extraerse utilizando la tobera de salida de desbordamiento18o la tobera de salida31.Otras realizaciones pueden incluir múltiples toberas de salida. En otras realizaciones, los sólidos separados35pueden acumularse en una zona de reposo, bien hacia una zona de acumulación36a través de ranuras en la pared del tubo de separación37, bien hacia una zona de acumulación38más allá del tubo de separación rotativo, en el que pueden eliminarse respecti vamente mediante un dispositivo de chorro o fluidización o un procedimiento alternativo establecido, por ejemplo por medio de las toberas32o33.Los componentes menos densos pueden extraerse de una tobera de salida de rebo se20,o a través de una tobera de rebose inferior adicional31.En otras realizaciones, la tobera de salida de desbor damiento20puede incluir un localizador de vórtices30.El dispositivo de separación puede instalarse en cualquier orientación, incluso horizontal o vertical, ya que las fuerzas centrífugas creadas son tales que el impacto externo de la gravedad es mínimo.
En la figura 5 se muestra una tercera realización ejemplar de la invención. El dispositivo de separa ción50comprende una estructura de soporte exterior52,que puede estar diseñada para soportar toda la presión del sistema aguas arriba, y una multiplicidad de tubos de separación54.En esta realización, cada tubo de separa ción de la multiplicidad de tubos de separación54se considera cilíndrico. Cada tubo de separación de la multiplici dad de tubos de separación54puede rotar independientemente de los otros tubos de separación a lo largo del eje longitudinal. Cuando está en uso, cada tubo de separación de la multiplicidad de tubos de separación54contiene una mezcla de fluidos. La rotación de cada tubo de separación individual, junto con cualquier flujo rotacional inducido en el fluido a la entrada del tubo de separación, genera una fuerza centrífuga que hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia la pared de citado tubo de separación rotativo, mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del eje de rotación. La multiplicidad de tubos de separación54está montada dentro de la estructura de soporte exterior52mediante una serie de cojinetes55,que permiten la rotación libre de los tubos de separación, minimizan la fricción y reducen la tasa de desgaste mecánico entre los tubos de separación rotativos y la estructura de soporte exterior52.
El fluido entra en el dispositivo de separación50a través de la tobera de entrada56.Otras realizaciones pueden incluir múltiples toberas de entrada. El fluido es forzado bajo presión desde la cámara de entrada58hacia la multi plicidad de tubos de separación54.Otras realizaciones pueden incluir un dispositivo de entrada57,tal como una cámara de remolino en la entrada, y un dispositivo de salida59en la salida principal de cada tubo de separación de la multiplicidad de tubos de separación54.El dispositivo de entrada, o cámara de remolino57,ayuda a inducir un giro rotacional al fluido de entrada, y puede comprender un localizador de vórtices. El dispositivo de salida59ayuda a segregar los componentes separados del fluido de entrada. El dispositivo de entrada57y el dispositivo de sali da59pueden utilizarse independientemente en conjunto con todas las realizaciones de la presente invención, inclui das las realizaciones mostradas en las figuras 2 y 3. Los tubos de separación54pueden estar montados en una placa tubular60en cada extremo. Las placas tubulares60proporcionan soporte mecánico y forman una obturación en cada extremo de la multiplicidad de tubos de separación54y de los dispositivos de entrada y salida57y59.
El orificio interno de cada tubo de separación de la multiplicidad de tubos de separación54comprende ála bes62que están unidos o formados integralmente con la superficie interna del citado tubo de separación. Puede incluirse un eje central64para proporcionar soporte a los álabes62y a otros componentes internos. En algunas realizaciones, los álabes62pueden rotar libremente alrededor del eje central64y de otros componentes internos. El eje central64puede estar configurado como un tubo para permitir la extracción del fluido recogido en el núcleo cen tral, o puede permitir la inyección de un fluido externo. A medida que el fluido fluye a lo largo de cada tubo de sepa ración de la multiplicidad de tubos de separación54,y a través de los álabes62,se genera una fuerza rotacional que hace que citado tubo de separación rote alrededor de su eje longitudinal. Los álabes62se sitúan preferente mente, aunque no necesariamente, en el extremo aguas abajo de cada tubo de separación de la multiplicidad de tubos de separación54con el fin de minimizar las turbulencias y las fuerzas de cizallamiento en la sección de sepa ración del dispositivo. Cuando se dispone de suficiente presión de entrada, pueden instalarse álabes adiciona les62para aumentar la velocidad de rotación de cada tubo de separación en la multiplicidad de tubos de separa ción54,y la fuerza centrífuga resultante. Si un tiempo de residencia más largo pudiera ser beneficioso, podría au mentarse la longitud o el diámetro de la multiplicidad de tubos de separación54.
La rotación de cada tubo de separación en la multiplicidad de tubos de separación54induce a la mezcla de fluidos dentro del citado tubo de separación a tener un perfil de flujo en espiral o rotativo. Además, la rotación de cada tubo de separación en la multiplicidad de tubos de separación 54,junto con cualquier flujo rotacional inducido en el fluido en la entrada de fluido, mantiene o aumenta el perfil de flujo en espiral o rotativo del fluido, y genera una fuerza cen trífuga dentro de cada tubo de separación en la multiplicidad de tubos de separación54.La rotación del fluido dentro de cada tubo de separación de la multiplicidad de tubos de separación54establece un vórtice en la mezcla de fluido dentro del citado tubo de separación, que se mantiene y se refuerza por la rotación del citado tubo de separación. La fuerza centrífuga hace que los componentes más densos de la mezcla de fluidos se acumulen hacia las paredes de cada tubo de separación rotativo, mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del eje de rota ción. Los componentes más densos de la mezcla de fluidos pueden extraerse utilizando la tobera de salida de des bordamiento66.Otras realizaciones pueden incluir múltiples toberas de salida del desbordamiento. Los componen tes menos densos pueden extraerse de la tobera de salida de rebose68,o a través de una tobera de desbordamien to inferior adicional76.
En otras realizaciones, los sólidos separados70pueden acumularse en una zona de reposo hacia una zona de acumulación71por medio de ranuras en la pared del tubo de separación72o hacia una zona de acumula ción73más allá del tubo de separación rotativo, en el que pueden eliminarse utilizando un dispositivo de chorro o fluidización o un procedimiento alternativo establecido, por ejemplo por medio de toberas74o75respectivamente. Otras realizaciones adicionales pueden incluir múltiples toberas de salida de desbordamiento.
Se puede conseguir una cobertura mejorada segmentando los tubos de separación en varios compartimentos con sus propias toberas de entrada y/o salida, o aislando mecánica, hidráulica o eléctricamente, o restringiendo tubos de separación individuales o múltiples tubos de separación.
En una modificación de la tercera realización ejemplar, el dispositivo de separación50se muestra como cuarta reali zación ejemplar en la figura 6. Cuando se han utilizado los mismos números de referencia en diferentes realizacio nes ejemplares, los números de referencia corresponden a características que son idénticas. El dispositivo de sepa ración80comprende una estructura de soporte exterior52y una multiplicidad de tubos de separación54en una orientación horizontal. La presente invención no está limitada por la orientación de la multiplicidad de los tubos de separación54.Los tubos de separación54favorecen el paso de las partículas sólidas más densas a través de las ranuras de la pared del tubo de separación72aguas arriba de la placa tubular60c.Las partículas sólidas separa das70pueden recogerse en una zona de acumulación73, en la que pueden eliminarse a través de la tobera de salida81u82.Debido a la eliminación de partículas sólidas aguas arriba de la placa tubular60c,no es necesario incorporar dispositivos de salida59o cualquier otra placa tubular aguas abajo en esta realización ejemplar, aunque cualquiera de ellos o ambos pueden incluirse en realizaciones alternativas.
A continuación se proporcionan otras realizaciones de las realizaciones que se han descrito más arriba del dispositi vo de separación.
Algunas realizaciones ejemplares de la invención pueden incluir deflectores a lo largo de la longitud del tubo de separación para mejorar aún más su rendimiento.
Las realizaciones de la invención pueden incluir álabes que son, o cuyo mecanismo es, de mayor diámetro que el tubo de separación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir álabes cuyo paso puede ajustarse manual o automáticamente. Las realizaciones de la invención pueden incluir la supervisión y/o el ajuste automatizados de la velocidad de rota ción de cada tubo de separación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir un mecanismo tal como un transportador de tornillo o un rascador para mover los sólidos recogidos desde la pared interna del tubo de separación hacia la zona de acumulación de sólidos o la tobera de descarga.
Las realizaciones de la invención pueden incluir una pared de tubo separador porosa o ranurada que permita la incorporación de una pared interna de filtración o de membrana, lo que permitiría la retención de componentes de un tamaño o característica apropiados en la pared interna del tubo separador o junto a ella y/o el paso de componentes de otro tamaño o característica apropiados a la zona de acumulación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir una manta de gas alrededor del tubo o conducto de separación para minimizar aún más la pérdida por fricción debida estar inmersos en líquido en la pared exterior.
Las realizaciones de la invención pueden incluir la inyección de gas en la mezcla de fluido entrante con el fin de crear un efecto de flotación de gas inducido mejorado y, por lo tanto, mejorar la eficiencia de separación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir la inyección de un coagulante aguas arriba para mejorar aún más la eficacia de la separación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir la adición de un líquido de dilución aguas arriba para mejorar aún más la eficacia de la separación.
Las realizaciones de la invención pueden incluir la conexión a un generador. El generador puede ser un generador externo84como se muestra en la figura 7. La rotación del tubo de separación14hace que el generador genere energía eléctrica. Cuando se utilizan los mismos números de referencia en diferentes realizaciones ejemplares, los números de referencia corresponden a características que son idénticas. El generador externo84está unido me diante un eje86al tubo de separación14.La rotación del tubo de separación14proporciona de esta manera ener gía al generador externo84.
Las realizaciones de la invención pueden incluir el uso de un campo electrostático dentro del tubo de separación. Los procedimientos de utilización de un campo electrostático para mejorar la eficacia de separación de un dispositivo de separación son conocidos en la técnica. Por ejemplo, los aglutinadores electrostáticos se utilizan habitualmente en procesos de separación líquido/líquido, incluso en el mercado de exploración y producción del petróleo y el gas para la deshidratación y desalinización del petróleo crudo antes de su entrega a una refinería. Estos procedimientos conocidos pueden adaptarse para su uso en conjunto con todas las realizaciones de la presente invención. La ener gía eléctrica para el campo electrostático puede generarse mediante un generador.
Las realizaciones de la invención pueden incluir la conexión a un generador y el uso de un campo electrostático dentro del tubo de separación, en el que la rotación del tubo de separación hace que el generador genere energía eléctrica, y la energía eléctrica para el campo electrostático es generada al menos parcialmente por el citado gene rador.
Las realizaciones de la invención pueden incluir palas turboexpansoras de gas en una salida de gas para mejorar aún más la eficiencia de separación o aumentar la recuperación de energía.
Las realizaciones de la invención pueden incluir álabes o palas de turbina de tipo Pelton o Francis o Kaplan en la pared interna o externa del tubo de separación para mejorar aún más la eficiencia de la separación o aumentar la recuperación de energía en caso de que se disponga de un excedente de presión o de fluido del sistema.
Algunas realizaciones pueden ser adecuadas para su adaptación dentro de recipientes de ciclón líquido-líquido o sólido-líquido existentes con el fin de mejorar la eficiencia de separación o mejorar la capacidad de procesamiento o para operar con una caída de presión más baja o una combinación de los mismos.
Realizaciones ejemplares de la invención pueden proporcionar un dispositivo de separación para separar una mez cla de fluidos en al menos dos componentes bajo fuerza centrífuga con la que se puede lograr un rendimiento conti nuo sin una caída significativa de la presión entre la mezcla de fluidos que entra y sale del dispositivo de separación. Por lo tanto, la invención permite una mayor capacidad de paso de la mezcla de fluidos y/o una mayor eficacia de separación en comparación con los ciclones conocidos de un diámetro similar.
Un dispositivo de separación de acuerdo con diversos aspectos puede ser adecuado para la separación de fases gas/sólido, líquido/sólido, líquido/líquido y líquido/gas o una combinación de más de dos fases. La mezcla de fluidos puede comprender cualquier combinación de gases o múltiples líquidos inmiscibles de densidades variables o partí culas sólidas. El dispositivo de separación simultáneamente podría desaguar, desaceitar, desgasificar y desarenar, o cualquier combinación de los mismos, una mezcla de fluidos procedente de un pozo petrolífero o de una corriente de proceso similar, al tiempo que funciona con una eficacia similar o superior y/o con una caída de presión inferior a la de los ciclones.
La eficacia de separación de un dispositivo de separación de acuerdo con realizaciones ejemplares se aproxima a la de una centrífuga, sin requerir un motor externo, y presentando ventajas de espacio, peso y coste similares a las de un ciclón. La fuerza centrífuga para la separación se genera mediante la rotación de al menos un conducto en el que la mezcla de fluidos pasa a través de álabes internos o externos, que en virtud de los fluidos que pasan a través de ellos imparten fuerza de rotación en el conducto. La velocidad de rotación del tubo de separación imparte y mantiene fuerzas centrífugas sobre la mezcla de fluidos de forma que se consigue la separación de la mezcla de fluidos. Por lo tanto, no es necesaria una fuente de alimentación externa o un motor externo para el funcionamiento de la pre sente invención, aunque pueden incorporarse para mejorar aún más la eficacia de separación o la operatividad del dispositivo de separación. Además, el presente dispositivo de separación no requiere juntas externas, cojinetes ni circuitos externos de refrigeración y lubricación asociados, que suelen ser necesarios para el funcionamiento de las centrífugas.
Las realizaciones de la presente invención pueden utilizarse como una operación unitaria en asociación con otros equipos aguas arriba o aguas abajo, tales como separadores, ciclones, unidades de flotación, membranas, aglutina dores, filtros, centrífugas, bombas o válvulas, etc., y unidades adicionales de este dispositivo de separación.
La presente invención se puede utilizar en la extracción de petróleo y gas (en tierra, en la costa y submarina), el tratamiento de aguas residuales, el procesamiento de minerales, la minería, el procesamiento de pulpa y papel, aplicaciones nucleares, farmacéuticas, médicas, alimentarias, de bebidas o de automoción. Otro uso puede ser la eliminación de partículas o polvo de una corriente de gas que funcione a presión o al vacío, en el que la menor caída de presión en comparación con un separador ciclónico sería más eficiente desde el punto de vista energético.
Se apreciará por un experto en la materia, a partir de la descripción anterior, que se pueden hacer modificaciones y variaciones a las realizaciones descritas sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindi caciones adjuntas.
Claims (15)
1. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) para separar un fluido, comprendiendo el citado fluido múltiples com ponentes, en al menos dos componentes que comprenden:
una estructura de soporte (12, 52);
al menos un tubo de separación (14, 54) montado sobre o dentro de la citada estructura de soporte (12, 52) para su rotación alrededor de un eje (13), en el que citado al menos un tubo de separación (14, 54) com prende uno o más álabes (26, 27, 62) fijados al citado tubo de separación (14, 54) o formados integralmen te con el mismo;
al menos una entrada (16, 56, 57) para introducir un flujo del citado fluido en el citado al menos un tubo de separación (14, 54); y
al menos una salida (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) para la salida de al menos uno de los citados componentes, en la que la al menos una salida (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) comprende una salida de rebose (20, 31, 68), y la salida de rebose (20, 31, 68) comprende un localizador de vórtices (30);
en el que citado al menos un tubo de separación (14, 54) está configurado de tal manera que, en uso, cuando el citado flujo del citado fluido se aplica al mismo, el citado tubo de separación (14, 54) se hace ro tar sobre o dentro de la citada estructura de soporte (12, 52) alrededor del citado eje (13), separando de es ta manera el citado fluido en al menos dos componentes, en el que la rotación del tubo de separación (14, 54) junto con cualquier giro rotacional inducido en la entrada (16, 56, 57) mantiene o aumenta un perfil de flujo espiral o rotativo del fluido, y la rotación del fluido dentro del tubo de separación (14, 54) establece un vórtice en el fluido por el que una fuerza centrífuga hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia las paredes del tubo de separación (14, 54) mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca de citado eje (13) y son extraídos de cerca del citado eje (13) por el localizador de vórti ces (30).
2. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que citados álabes (26, 27, 62) comprenden un eje central (28), y preferentemente el eje central (28) comprende al menos una de entre una entrada para permitir la inyección de un fluido externo, o una salida para permitir la eliminación del fluido recogi do en el núcleo central.
3. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el al menos un tubo de separación (14, 54) está montado sobre cojinetes.
4. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la estructu ra de soporte (12, 52) comprende una estructura de soporte interior y/o la estructura de soporte (12, 52) com prende una estructura de soporte exterior.
5. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la al menos una salida (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) es una salida por debajo del flujo (18, 31, 59, 66, 76).
6. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la al menos una entrada (16, 56, 57) es tangencial a al menos un tubo de separación (14, 54).
7. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el dispositi vo de separación (10, 50, 80) comprende además una cámara de entrada (24, 57, 58), y preferentemente la cámara de entrada (24, 57, 58) comprende una cámara de remolino.
8. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que el al menos un tubo de separación (14, 54) es una pluralidad de tubos de separación (54), y preferentemente la al menos una entrada (56) introduce un flujo del citado fluido a la citada pluralidad de tubos de separación (54).
9. Un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior que comprende, además, un generador (84), en el que el al menos un tubo de separación (14, 54) está configurado de tal mane ra que, en uso, cuando el citado flujo del citado fluido se aplica al mismo, el citado tubo de separación (14, 54) se hace girar alrededor del citado eje, haciendo de esta manera que el generador (84) genere energía eléctrica.
10. Un procedimiento para separar un fluido, comprendiendo el citado fluido múltiples componentes, en al menos dos componentes utilizando un dispositivo de separación (10, 50, 80) de acuerdo con la reivindicación 1, com prendiendo el procedimiento los pasos de:
introducir un flujo del citado fluido en el citado tubo de separación (14, 54), a través de la citada entrada (16, 56, 57);
provocar de esta manera que el citado tubo de separación (14, 54) rote sobre o dentro de la citada estructu ra de soporte (12, 52) alrededor del citado eje (13), separando de esta manera el citado fluido en al menos dos componentes, en el que la rotación del tubo de separación (14, 54) junto con cualquier giro rotacional inducido en la entrada (16, 56, 57) mantiene o aumenta un perfil de flujo espiral o giratorio del fluido, y la ro tación del fluido dentro del tubo de separación (14, 54) establece un vórtice en el fluido por el que una fuer za centrífuga hace que los componentes más densos del fluido se acumulen hacia las paredes del tubo de separación (14, 54) mientras que los componentes menos densos se acumulan cerca del citado eje (13) y son extraídos de cerca del citado eje (13) por el localizador de vórtices (30).
11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que citado flujo tiene un componente de velocidad distinto de cero en una dirección paralela al citado eje de rotación (13).
12. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12 en el que el fluido está compuesto por al menos una fase líquida, y opcionalmente el fluido está compuesto por al menos dos fases líquidas.
13. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 en el que el fluido está por al menos una fase sólida.
14. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12 o 13 en el que la al menos una fase comprende gotitas, partículas o burbujas con un diámetro predominantemente superior a 2 pm.
15. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que la presión del fluido en al menos una salida (18, 20, 31, 59, 66, 68, 76) no es inferior en más de 0,8 bar a la presión del fluido en al menos una entrada (16, 56, 57).
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