MX2012003231A - Sistemas y metodos para concentracion de fluidos de aguas residuales. - Google Patents

Sistemas y metodos para concentracion de fluidos de aguas residuales.

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Abstract

La invención se relaciona con un método y aparato para el procesamiento de aguas residuales generadas durante las operaciones de perforación de petrolíferos con una unidad de procesamiento móvil, utilizando energía de calor enviada directamente de la quema de combustible de hidrocarburos y/o capturando y usando la energía de calor de escape generada al que mar hidrocarburos en motores tales como motores a diesel para vaporizar una masa dominante de la fase acuosa del agua residual, mientras que se clarifican los gases de combustión de la fuente de calor. El vapor de agua generado por el proceso de vaporización, puede descargarse directamente hacia la atmósfera o alternativamente condensarse y capturarse para su uso como agua potable. El agua residual es , por lo tanto, concentrada, y el costo por disponer del agua residual es reducido en gran medida.

Description

SISTEMAS Y MÉTODOS PARA LA CONCENTRACIÓN DE FLUIDOS DE AGUAS RESIDUALES CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con un método y un aparato para el procesamiento de aguas residuales generadas durante las operaciones de perforación de petrolíferos con una unidad de procesamiento móvil, usando la energía del calor generada quemando directamente combustible de hidrocarburo y/o capturando y usando la energía de escape de calor generada al quemar hidrocarburos en máquinas tales como motores a diesel para vaporizar una masa dominante de la fase acuosa del agua residual, mientas se clarifica los gases de combustión de fuente de calor. El vapor de agua generado por el proceso de vaporización puede ser descargado directamente hacia la atmósfera o alternativamente condensado y capturado para su uso como agua potable. Las aguas residuales son entonces concentradas y el costo para desechar el agua residual es altamente reducido.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Hay muchos ejemplos en los que la evaporación se usa para reducir la fase liquida de soluciones de agua que contienen contaminantes, con el propósito de concentrar los contaminantes para su desecho. Se les refiere frecuentemente como procesos separación térmica o procesos de concentración térmica, estos procesos empiezan generalmente con un liquido y terminan con un concentrado más concentrado pero aún bombeable, que puede ser sujeto a mayor procesamiento y/o desecho. En el contexto de esta descripción, las soluciones de aguas residuales que contienen contaminantes son referidas como "agua cruda".
Los requerimientos de reducción de liquido dictados por las características físicas del agua cruda, han resultado en el desarrollo de un gran rango de diferentes tipos de evaporadores con los años. Las demandas de eficiencia de energía, impacto ambiental minimizado, bajo costo de capital y bajo costo de operación, han llevado el desarrollo del evaporador hacia varias configuraciones de tipos de planta y diseños de equipo. En el diseño de sistemas de evaporación, deben considerarse los requerimientos numerosos y algunas veces contradictorios, que pueden determinar qué tipo de construcción y configuración se elige. Los principios resultantes de rendimiento de operación y económico entre los diferentes diseños pueden variar en gran medida. A manera de antecedente, varias consideraciones de diseño pueden incluir: Datos de capacidad y operacionales, incluyendo cantidades, concentraciones, temperaturas, horas anuales de operación, cambio de producto, controles, automatización, etc .
• Características del producto, incluyendo sensibilidad al calor, viscosidad y propiedades de flujo, tendencia a la formación de espuma, suciedad y precipitación, comportamiento de ebullición, etc.
• Medios de operación requeridos, tales como vapor, agua de refrigeración, energía eléctrica, agentes de limpieza, refacciones, etc.
• Costos financieros de capital y colaterales.
• Costos de personal para la operación y el mantenimiento .
• Estándares y condiciones para la entrega de fabricación, aceptación, etc.
• Elección de materiales de construcción y acabados de superficie.
• Condiciones del sitio, tales como espacio disponible, clima (para los sitios en exterior) , conexiones para energía y productos, plataformas de servicio, etc.
• Reglamentos legales que amparan seguridad, prevención de accidentes, emisiones de sonido, requisitos ambientales, y otros, dependiendo del proyecto especifico.
Con base en lo anterior, las aplicaciones y sistemas para la concentración evaporativa del agua cruda son diversas, requiriendo decisiones de diseño que estén basadas en el despliegue. Por ejemplo, en algunos despliegues, es particularmente importante que las plantas móviles de tratamiento de agua sean confiables y fáciles de operar por el personal del lugar.
Una aplicación especifica que se beneficia del uso de una unidad evaporadora móvil eficiente es el procesamiento en sitio del agua cruda generada en y alrededor de una plataforma de perforación que se produce por acumulaciones de nieve o lluvia que caen sobre el equipo y/u otra agua cruda producida o recuperada en el paso de la plataforma de perforación.
Muchos reglamentos ambientales prohiben que el agua cruda sea descargada directamente desde el área de la superficie del paso de la perforación hacia las regiones de tierra que la rodean, debido al nivel de contaminación que puede estar presente en el agua cruda. Por ejemplo, el agua cruda puede estar contaminada con aceites, jabones, químicos y partículas suspendidas originadas por las operaciones de la plataforma de perforación.
Normalmente, en una plataforma de perforación, el agua cruda debe ser recolectada en platos periféricos construidos como una barrera de descarga ambiental de primera linea. En algunos casos, el volumen del agua cruda puede volverse lo suficientemente grande durante las operaciones de la plataforma como para inhibir la operación eficiente de la plataforma de perforación a medida que el volumen del agua cruda interfiere con la operación y el movimiento del equipo y el personal en el sitio de perforación. En este caso, el agua cruda debe ser recolectada y/o removida para permitir que continúen las operaciones de la plataforma de perforación.
Frecuentemente, en ausencia de sistemas que permiten el procesamiento en el sitio, el agua cruda debe ser recolectada de los platos, almacenada en tanques de retención y eventualmente llevada a un centro de procesamiento remoto para su procesamiento y disposición. Como es sabido por los expertos en la materia, la recolección, almacenamiento, transportación, procesamiento y disposición del agua cruda en la locación remota, puede ser muy costoso tanto en términos de costos reales de manejo y procesamiento, pero también en cuanto a la pérdida de tiempo en la plataforma de perforación.
En el pasado, han existido sistemas para reducir el volumen liquido del agua cruda hirviendo la fase acuosa del agua cruda con un evaporador/calentador móvil de agua. Uno de dichos sistemas es un calentador activado por diesel que caliente el agua cruda en un tanque para hervir el agua cruda que pueda haber sido pre-clarificada mediante una serie de tanques de sedimentación montados en un sistema evaporador basado en un polín. El agua cruda es hervida en el lugar para producir un lodo concentrado a medida que la porción acuosa del agua cruda es hervida y se establece cerca del fondo del tanque evaporador por gravedad, actuando sobre un fluido cada vez más denso. Este concentrado del fondo es periódicamente removido del sistema evaporador/calentador mediante varios sistemas, tales como succión al vacío.
Existen un número de problemas inherentes con los sistemas evaporadores existentes, tal y como se listan y comentan más adelante. Estos problemas incluyen: • Sistemas que deben ser operados en modo de proceso intermitente. En estos sistemas, cualquier nueva adición de agua cruda a los tanques de almacenamiento masivo, detiene el proceso de evaporación y requiere el recalentamiento de todo el sistema antes de que se pueda continuar con la vaporización .
· El uso ineficiente de energía de calor debido a la transferencia térmica cada vez más limitada de la fuente de poder hacia el agua cruda, que puede ser provocada por: un acumulado de partículas y escamas que cubren varias partes del sistema tales como un intercambiador de calor, promoviendo así cada vez más pérdidas de calor por la pila de escape del sistema de calentamiento; y/o la necesidad de calentar térmicamente las partículas no separadas suspendidas en el tanque de agua cruda a medida que la densidad aumenta.
• Consumo innecesario de combustible, debido a ineficiencias globales del sistema. En este caso, el consumo de energía puede que deba ser incrementado para cumplir con las tasas de procesamiento objetivo, resultando en mayores costos para el operador y mayores volúmenes de de descargas de contaminantes de combustión hacia la atmósfera.
• La formación de espuma y la espuma de soluciones calientes o hirviendo a los lados del tanque hacia el entorno circundante que puede darse en cercana proximidad al personal. Dichos problemas pueden también requerir el uso de agentes anti-espumantes y supervisión del sistema.
• Limpieza del sistema frecuente y que requiere mucho tiempo.
• Supervisión en sitio intensiva y/o invasiva para asegurar que las dinámicas de flujo del sistema evaporador se encuentren dentro de ciertos parámetros estrechos, para evitar el apagado y reinicio automáticos .
• Daño al elemento de calentamiento por sobrecalentamiento debido a la acumulación de concentrado en un intercambiador de calor.
• Jabones y aceites presentes en el agua cruda que pueden provocar la formación de capas superficiales que inhiben el proceso de evaporación.
Una revisión de la materia previa, revela que los evaporadores del agua contaminada pueden transferir calor a la masa del agua contaminada usando una variedad de métodos para reducir el volumen y el peso del agua concentrada para su transportación y disposición final.
Por ejemplo, la Patente Canadiense 2,531,870, emitida el 18 de marzo de 2008, titulada "Sistema Evaporador" y la Patente Canadiense 2,554,471, emitida el 16 de septiembre de 2008, titulada "Aparato Autoalimentado de Tanque de Sedimentación y Evaporación", ejemplifican la materia previa actualmente comercializada de evaporadores de agua de plato. Típicamente, estos sistemas de la materia previa son sistemas de proceso intermitente en donde un tanque se llena con el agua contaminada y una fuente de calor es aplicada cerca del fondo del tanque para transferir el calor hacia la masa total del agua contaminada. La fuente de calor puede ser cualquier número de métodos de calentamiento tales como vapor, calentadores de resistencia eléctrica y/o gases calientes derivados de la combustión o líquidos calientes. En estos sistemas, la fuente de calor debe elevar la temperatura de la masa de agua contaminada total en el tanque hasta un nivel, antes de que pueda empezar a hervir cualquier agua. Generalmente, estos sistemas también deben recalentar la masa de agua cada vez que se introduce agua adicional en el depósito, reduciendo así, significativamente, todo el proceso de evaporación.
Con el tiempo, la evaporación del agua del tanque con el agua contaminada añadida, incremente la concentración de los constituyentes no evaporados dentro del tanque. Mientras que estos sistemas concentrarán el agua cruda, deberá tomarse nota que a medida que la concentración de los sólidos y otros contaminantes en el agua concentrada se incrementa, la similitud de que más contaminantes del evaporador serán llevados desde el sistema con el vapor del agua evaporada, también incrementa .
En evaporadores activados por altas temperaturas, debido al diferencial de alta temperatura necesario para pasar calor desde la fuente a través del elemento de calentamiento hacia el agua, y debido a la presencia de sales químicas y otros contaminantes, el elemento de calentamiento está sujeto a formación de escamas, suciedad y corrosión. El recubrimiento del elemento de calentamiento crea una reducción siqnificativa en la eficiencia en muy poco tiempo, y requiere limpieza frecuente e intensiva. Adicionalmente, a partir de que el elemento de calentamiento es recubierto (ej., con escamas), lo que es casi instantáneo al inicio del sistema, cada vez se inhibe más al calor de pasar a través del elemento hacia el agua, y por lo tanto, es tirado por la pila de combustión. Los sistemas complejos de control deben ser usados algunas veces junto con evaporadores de la materia previa para que cuenten para esta fluctuación en la temperatura del gas de escape con el tiempo.
Adicionalmente, al transferir calor a través de un elemento de calentamiento, el área de la superficie del elemento de calentamiento se vuelve factor clave para la tasa de transferencia térmica y la eficiencia. Típicamente, mientras más alto el requerimiento de tasa de evaporación, más área de superficie se requiere en el elemento de calor. Por lo tanto, estos sistemas no son escalables en el sitio. Si van a ser escalados, deben remanufacturados con diferentes parámetros físicos.
Más aún, en estos sistemas, la concentración de masa de sólidos total cada vez más alta, también reduce la eficiencia del evaporador debido al calor aplicado siendo absorbido por cualquier sólido en el tanque. Como tal, dichos sólidos también tienden a alinear la superficie del tanque y cubrir los elementos de calentamiento, tubos, y otros componentes en el tanque, tales como los sensores de nivel y otra instrumentación de monitoreo que afectará la transferencia de calor y la eficiencia total de operación.
Más aún, otro problema significativo con varios sistemas de la materia previa, es la estratificación del agua residual, debido a cualquier jabón o material orgánico que pueda estar presente en el agua residual. La presencia de ya sea uno o ambos de estos contaminantes, generará frecuentemente una capa o crema superficial en la parte de arriba del agua residual, que interrumpe el proceso evaporativo de masa de agua. Para enfrentar este problema, algunos sistemas anteriores incorporan complejidades significativas en un diseño para evitar y/o mitigar los efectos de estos contaminantes en el proceso de evaporación del agua. Más aún, el jabón y/o los materiales orgánicos pueden provocar formación de espuma significativa que puede resultar frecuentemente en el desbordamiento del tanque de calentamiento y el derrame hacia el suelo, requiriendo operaciones de limpieza costosas y/o poner al operador en riesgo sustancial ambiental y de seguridad.
Aún otro problema más con varios evaporadores es que el material de partículas no es removido del agua cruda antes de transferir el agua cruda al tanque evaporador, resultando así en la necesidad de remover los sólidos acumulados frecuentemente y/o, como se hace notar anteriormente, el calentamiento innecesario de materia de partículas durante la evaporación. Los drenajes se proporcionan típicamente en los tanques para remover el lodo del tanque; sin embargo, el lodo debe tener generalmente un alto contenido de agua para permitir que el lodo fluya a través del drenaje.
Más aún, el lodo que permanece recubierto en el tanque y otros elementos, requiere de limpieza periódica, generalmente con vapor o agua. El lodo y el agua de limpieza, como un producto del proceso de limpieza, también deben ser tirados, lo que incrementa el costo* total de operación del evaporador.
Ejemplos de sistemas pasados también incluyen los descritos en la Patente Estadounidense 7,722,739, la Patente Estadounidense 5,259,931, la publicación de Patente Estadounidense 2009/0294074, la Patente Estadounidense 5,770,019, la Patente Estadounidense 5,573,895, la Patente Estadounidense 7,513,972, la Patente Estadounidense 2,101,112 y la Patente Estadounidense 6,200,428.
Como resultado, y en vista de lo anterior, ha existido una necesidad procesos continuos, térmicamente eficientes, de concentración contaminante de aguas residuales, que pueden mitigar los varios problemas asociados con los sistemas de la materia previa.
Además, también ha habido una necesidad de un sistema con la capacidad de concentrar el agua residual usando calor residual generado por las operaciones normales de las plataformas de perforación para proporcionar mayores ventajas operacionales y de eficiencia a los sistemas en los que se requiere un suministro de combustible regular.
Más aún, también hay una necesidad de un sistema que también es simultáneamente efectivo para la evaporación del agua y para remover el tizne relacionado con la combustión, las partículas y los químicos de combustión de la fuente de calor, si aplica, de la fuente de calentamiento en particular. En otras palabras, no ha existido incentivo alguno para el tratamiento móvil de los gases de combustión debido a que generalmente no hay ningún reglamento sobre el escape de los motores diesel que justifique el costo por hacerlo. Como tal, y hasta que se establezca algún reglamento, la limpieza de estos volúmenes colectivamente grandes de gases ácidos, no sucederá. Mientras que existen claros beneficios ambientales para limpiar el escape de la máquina en el sitio de un pozo, dentro del marco requlatorio actual, esto sucederá si la tecnología para la limpieza del escape es parte de otro sistema. De conformidad, al emparejar la tecnología de limpieza de gases de escape con otro uso, tal como el de evaporar el agua residual, existe un incentivo económico para que el operador tome esta acción ambientalmente responsable .
Con respecto a las emisiones de las operaciones de plataformas de perforación, existen de manera general más de 2,000 plataformas operando en Norteamérica, y caca una consume en promedio aproximadamente de 3,000 a 9,000 litros por día de combustible diesel dentro de las variadas maquinarias generadoras de energía. Por ejemplo, un juego típico de generador de máquina de 500 k , cada máquina de 500kW, capaz de evaporar más de 10 metros cúbicos de agua al día, dejará escapar aproximadamente 91-273 metros cúbicos por minuto de gas ácido hacia el medio ambiente, contaminando, por lo tanto, el medio ambiente, y desperdiciando la energía de calor ahí contenida. Esto equivale a 95-285 billones de metros cúbicos de descarga sin limpiar de gas ácido de todas las plataformas Norteamericanas cada año.
Por lo tanto, también ha existido una necesidad por sistemas que pueden reducir la cantidad de contaminantes de escape que pueden ser liberados hacia la atmósfera, mientras que al mismo tiempo, reduzcan los volúmenes totales de agua residual contaminada que requieren envió y/o remoción de un sitio de plataforma de perforación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la invención, se proporciona un método y un aparato para concentrar los contaminantes de las aguas residuales. En varias modalidades, la invención proporciona aparatos y/o métodos (para) : a) simultáneamente concentrar el agua residual y limpiar la corriente de gas usada en esta operación; b) usar la energía residual del calor generado por el equipo cercano para reducir el consumo de combustible nuevo para concentrar el agua cruda; c) limpiar la(s) fuente (s) de gas caliente usada (s) para minimizar el escape de partículas, tizne y químicos de combustión hacia la atmósfera; d) que requieren limpieza mínima, debido al pre-filtrado de las partículas del agua cruda; e) permitir la interacción directa entre el gas caliente y el agua cruda, minimizando así las pérdidas térmicas ; f) que tienen eficiencia de combustible mejorada; g) que tienen escalabilidad en sitio; h) capaces de tiempos mínimos de arranque; i) capaces de servicio y limpieza rápidos en el sitio; j) capaces de operación continua para minimizar el tiempo fuera de operación; k) que tienen menos potencial para un incidente ambiental peligroso; 1) que son más seguros para el personal que los opera y/o están en cerca proximidad de; y m) que tienen una construcción más simple y por lo tanto son menos costosas de construir y operar.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un evaporador para la concentración de contaminantes dentro del agua cruda, que comprende: un primer tanque para la recepción y almacenamiento del agua cruda; un evaporador de agua cruda, incluyendo una pila de combustión aislada que contiene un material de empaque; y una fuente de calor en comunicación operativa con la pila de combustión aislada, la fuente de calor para proporcionar gas caliente a la pila de combustión aislada a una posición más abajo, en donde el gas caliente se eleva dentro de la pila de combustión a través del material de empaque; un sistema de distribución de fluidos para la distribución del agua cruda hacia una región superior de la pila de combustión, en donde los flujos del agua cruda van en contracorriente al agua caliente a través del material de empaque; y un sistema de recolección de agua concentrada en un extremo inferior de la pila de combustión aislada para la recolección del agua cruda concentrada.
En otras modalidades, la fuente de calor es un sistema de combustión con base de hidrocarburos, conectado operativamente a la pila de combustión aislada, y en donde el gas caliente es un gas de escape de un sistema de combustión de hidrocarburos. En varias modalidades, la fuente de calor es un quemador de flama.
En otra modalidad, el sistema de recolección de agua concentrada está en comunicación fluida con el primer tanque .
En otra modalidades, el fluido del sistema de recolección de agua concentrada están en contacto de intercambio de calor con el fluido en el sistema de distribución de fluido, para el precalentamiento del fluido en el sistema de distribución de fluido antes de su distribución en el material de empaque, usando un tubo-entubo u otro tipo de intercambiador de calor.
En otras modalidades, los sistemas para la generación del área de superficie de agua cruda, pueden incluir empaque estructurado, empaque aleatorio, una combinación de los mismos, y/o boquilla (s) de rocío o atomización. Los materiales de empaque pueden estar en diferentes capas, por ejemplo, en donde el empaque aleatorio está por debajo del empaque estructurado dentro de la pila de combustión aislada.
En otras modalidades, el sistema también puede incluir un sistema de separación operativamente conectado al primer tanque para separar el material orgánico y de partículas del agua cruda, antes de que se entregue al primer tanque. En una modalidad, el sistema de separación incluye una pantalla ubicada operativamente arriba del primer tanque, y una manivela de distribución por arriba de la pantalla, en donde el agua cruda es distribuida sobre la pantalla mediante la manivela de distribución, y pasa a través de la pantalla hacia el primer tanque, en donde la mayoría de la materia de partículas no pasa a través de la pantalla, y es entregada a un segundo tanque.
En otra modalidad, los componentes del sistema tales como cada uno del primer tanque, el evaporador de agua cruda, el sistema de distribución de fluido y el sistema de recolección de agua concentrada, están operativamente configurados con cualquiera o una combinación de un polín o remolque para su entrega en un sitio de trabajo. El polín o remolque también pueden tener un tanque de combustible para el almacenamiento de combustible para la fuente de calor y/o el sistema de separación .
En otra modalidad de la invención, la fuente de calor es escape de la máquina de una máquina adyacente y el evaporar incluye tubería aislada que tiene un primer extremo conectado operativamente a un extremo inferior de la pila de combustión aislada y un segundo extremo para la conexión operativa a la máquina adyacente.
Aún en otras modalidades, la fuente de calor incluye un tubo de humos de fuente de calor que se extiende hacia la posición inferior de la pila de combustión aislada, el tubo de humos de fuente de calor que tiene un sistema de deflexión de calor para desviar radialmente el calor directo de la fuente de calor a la entrada en la pila de combustión aislada. El sistema de deflexión de calor puede también ser una base que tenga una placa superior y al menos dos alas huecas que definan las aperturas de los tubos de humo entre la placa superior y los tubos de humo de la fuente de calor, y en donde el agua cruda que afecta hacia la placa superior, puede fluir a través de las al menos dos alas huecas hacia el sistema de recolección de agua concentrada.
En otra modalidad, el sistema también puede incluir un delineador interno dentro de la pila de combustión aislada en donde el delineador interno está dimensionado para definir un depósito de fluido entre la pila de combustión aislada y el delineador interno para la recolección y recepción del agua cruda que fluye hacia abajo, para proporcionar enfriamiento y aislamiento hacia la posición inferior de la pila de combustión aislada.
El sistema también puede incluir un sistema de control que incluye al menos un termopar para monitorear la temperatura dentro de la pila de combustión aislada y al menos una bomba para el control del flujo del agua cruda hacia el sistema de distribución de fluido.
En otra modalidad, el sistema también incluye una cámara aislada de expansión de gas operativamente conectada a la pila de combustión aislada, la cámara aislada de expansión de gas teniendo dimensiones que permiten que una flama de alta velocidad se desarrolle completamente.
En otra modalidad, el empaque aleatorio tiene un volumen suficiente como para disipar una temperatura de gas caliente en un rango de 300°C a 1, 500°C a una temperatura de gas caliente en el rango de 50°C a 1,000°C antes de que entre en el empaque estructurado.
Aún en otra modalidad, el evaporador incluye una segunda pila de combustión aislada adaptada para su configuración a una fuente de calor alterna.
Aún en otra modalidad, en donde el sistema está adaptado para su configuración a una máquina adyacente, la pila de combustión aislada y la tubería de gas aislada tienen una contrapresión a la máquina adyacente, permitiendo que la máquina adyacente opera a menos de una columna de 100 cm de agua de contrapresión.
En otra modalidad, el sistema simultáneamente evapora agua y remueve partículas, suciedad y químicos de combustión de la corriente de gas.
En otro aspecto, la invención proporciona un método para la evaporación de agua cruda, que comprende los pasos de: proporcionar calor en la forma de gases calientes a una pila de combustión; distribuir agua cruda dentro de la pila de combustión mediante una técnica de generación de área de superficie; hacer que el agua cruda entre en contacto directo con los gases calientes; y, recolectar el agua cruda concentrada de la pila de combustión.
En otras modalidades, el agua cruda es enviada desde las operaciones de la plataforma de perforación y/o alrededor de un sitio de plataforma de perforación.
En una modalidad, el material de empaque se usa para generar área de superficie de agua cruda dentro de la pila de combustión.
En otra modalidad, cualquiera o una combinación de boquillas de rocío y boquillas de atomización, se usan para generar área de superficie de agua cruda dentro de la pila de combustión.
En varias modalidades, el agua cruda es enviada contracorriente hacia el flujo de gases calientes en la pila de combustión, concurrente con el flujo de gases calientes en la pila de combustión o en perpendicular al flujo de gases calientes en la pila de combustión.
En otra modalidad, la invención proporciona, además, el paso del pre-calentamiento del agua cruda al colocar el agua cruda concentrada en contacto de intercambio de calor con el agua cruda, antes de distribuir el agua cruda a una región superior de la pila de combustión.
En otra modalidad, la invención proporciona el paso de controlar la temperatura dentro de la pila de combustión, para minimizar la formación de escamas en el material de empaque.
En otra modalidad, la invención proporciona el paso de controlar la temperatura dentro de la pila de combustión, para minimizar la formación de químicos corrosivos dentro del material de empaque.
En otro aspecto, la invención proporciona un método para eliminar el tizne, materia de partículas y/o químicos del escape de motor a diesel, que comprende los pasos de: proporcionar el escape del motor a diesel a una pila de combustión; distribuir el agua cruda dentro de la pila de combustión mediante una técnica de generación de área de superficie; hacer que el agua cruda entre en contacto directo con el escape del motor a diesel; y, recolectar el agua cruda concentrada que contiene contaminantes de escape de motor a diesel de la pila de combustión .
Aún en otro aspecto, la invención proporciona un método para evaporar simultáneamente el agua cruda y eliminar la suciedad, partículas y/o químicos de los gases de combustión y/o escape de máquina, comprendiendo los pasos de: proporcionar calor en la forma de gases calientes a una pila de combustión; distribuir el agua cruda dentro de la pila de combustión mediante una técnica de generación de área de superficie; hacer que el agua cruda entre en contacto directo con los gases calientes; y, recolectar agua cruda concentrada de la pila de combustión, y en donde los gases calientes pueden ser enviados desde los gases de combustión y/o el escape del motor.
El método, como en cualquiera de las reivindicaciones 46-53, comprendiendo, además, el paso del precalentamiento del agua cruda, colocando el agua cruda concentrada en contacto de intercambio de calor con el agua cruda antes de distribuir el agua cruda en una región superior de la pila de combustión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describe con referencia a las siguientes figuras, en donde: La Figura 1 es una vista isométrica derecha de un sistema concentrador de acuerdo con una modalidad de la invención .
La Figura 2 es una vista isométrica izquierda de un sistema concentrador de acuerdo con una modalidad de la invención .
La Figura 3 es una vista isométrica derecha de un montaje de evaporador de acuerdo con una modalidad de la invención .
La Figura 4 es una vista transversal de un montaje de evaporador de la Figura 3 de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 4A es una vista transversal de una pila de evaporador de las Figuras 3 y 4, mostrando más detalles de la pila del evaporador, de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 5 es una vista isométrica derecha de un montaje alternativo de evaporador, de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 6 es una vista transversal esquemática de una modalidad de un sistema concentrador que tiene un montaje alterno de evaporador.
La Figura 7 es una vista transversal esquemática de una modalidad de un sistema concentrador que tiene dos montajes de evaporador.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia a las figuras, se describen varios aparatos y métodos para la concentración de agua cruda.
Visión General La Figura 1 muestra un sistema concentrador contaminante (CCS por sus siglas en inglés) (10) montado en un polín de tipo petrolífero (20) . El CCS generalmente incluye un sistema de tanque (30) incluyendo el primer tanque (60) y el segundo tanque (50), pila del evaporador (110), sistema de filtro (40), sistema de almacenamiento de combustible (80), bomba (70), quemador (90), intercambiador de calor (140) y cámara de expansión de gas de combustión (100) .
El sistema de filtro (40) se monta en el sistema de tanque (30) y recibe agua cruda de una fuente para la separación inicial de partículas, en la que se separan las partículas hacia el segundo tanque (50) y el agua cruda al primer tanque (60) . La bomba (70) bombea el agua cruda del tanque (60) a través del intercambiador de calor (140) hacia el interior de la sección superior de la pila del evaporador (110), en donde se lleva a cabo un proceso de evaporación, como se explicará a mayor detalle más adelante. El quemador (90) proporciona calor a la pila del evaporador a través de una cámara de expansión de gas de combustión (100), y el quemador recibe combustible de los tanques de almacenamiento de combustible (80). El agua cruda concentrada es removida de la pila del evaporador mediante el intercambiador de calor y es regresada al primer tanque.
Como se muestra en la Figura 2, se describen más detalles del sistema. Una tubería de entrada de agua cruda (46) está conectada a un colador de canasta en línea (47) que, en cambio, está conectado a la línea de flujo (48) y a la línea distribuidora de agua cruda (49) para la distribución de agua cruda hacia el sistema de filtro. El sistema de filtro (40) incluye una pantalla curva de filtro de metal (44) que se sostiene en su lugar mediante soporte lateral (42) (típicamente en dos lugares) que está fijado al tanque (60). El segundo tanque (50) tiene un fondo pendiente (52) y una puerta de volcado de descarga (54) para particular que los materiales de partículas sean removidos del primer tanque. El primer tanque (60) también tiene una puerta de volcado (62) para permitir la descarga de contenidos del primer tanque.
Los controles base (130) del controlador lógico programable (PLC por sus siglas en inglés) se muestran configurados al lado del tanque de agua cruda (60) y está configurado a un termopar (122) dentro de la pila del evaporador y la bomba (70) .
Pila del Evaporador Con referencia a las Figuras 3, 4 y 4A, se describen los componentes del circuito evaporador. Como se hace notar anteriormente, la bomba (70) se conecta al primer tanque (60) mediante la linea de succión (72) que arroja agua desde el primer tanque que después es bombeada mediante la linea de descarga (74) a través del intercambiador de calor (140) hacia un sistema de distribución de agua cruda (74, 76) en la porción superior de la pila del evaporador. En una modalidad preferida, la línea de succión incluye una manguera flexible de toma configurada a un flotador que arroja el agua cruda desde una profundidad justo por debajo de la superficie líquida dentro del primer tanque. El quemador (90) está conectado al interior de la carcasa de la cámara de expansión de gas de combustión (100) que está conectada al interior de la pila del evaporador (110), como se muestra a mayor detalle en la Figura 4.
Las Figuras 4 y 4A ilustran el interior transversal de la pila del evaporador de la Figura 3. La pila del evaporador (110) incluye una pared exterior (110a) y una pared interior (112) que define un espacio anular que contiene aislamiento (111) . La pila del evaporador se monta en las superficies superiores del montaje de quemador (100) alrededor del tubo de humos (117) que proyecta una corta distancia hacia la pila del evaporador. El tubo de humos soporta de manera operativa la base del recolector (115) que se coloca sobre el tubo de humos. La base del recolector tiene una superficie superior (115a), alas laterales huecas (115b) y embocadura (155c) que define colectivamente las aperturas laterales, permitiendo el escape de gases del quemador para que entren a la pila del evaporador (110) . La embocadura (115c) se extiende hacia arriba desde la superficie superior para evitar que el agua cruda dentro de la pila del evaporador ingrese a la cámara de expansión (103) .
Como se muestra en la Figura 4A, una tubería de soporte de empaque interna (116) se proporciona dentro de la pared interna (112) a una distancia que define el espacio anular (119). La tubería de soporte de empaque interna (118) soporta el material de empaque por encima de la base del recolector y por debajo del sistema de distribución de agua cruda. Como se explica a mayor detalle más adelante, los materiales de empaque incluyen preferiblemente un material de empaque aleatorio (114) y un material de empaque estructurado (113) . Una salida de agua cruda concentrada (120) se proporciona, que está en comunicación fluida entre el espacio inferior (123) y el exterior de la pila del evaporador.
En operación, el agua cruda precalentada del intercambiador de calor, es bombeada desde el sistema de distribución de fluido (74, 76), en donde el agua cruda fluye hacia abajo a través del interior de la pila del evaporador (110) sobre el empaque estructurado (113) y el empaque aleatorio (114) y en contracorriente al gas caliente que se eleva desde el quemador. A medida que cae el agua cruda, está sujeta a evaporación, y por lo tanto, a concentración, y el escape del quemador con vapor de agua es liberado hacia la atmósfera mediante la parte superior de la pila del evaporador. Después de pasar a través del material de empaque, el agua cruda caerá hacia la superficie superior (115a) de la base del recolector (115), hacia abajo a través de las alas (115b) , en donde fluirá desde la pila del evaporador hacia la salida (120) .
Además, el agua cruda que cae, también caerá á lo largo de la pared interior (112) y entrará y llenará un espacio anular (119) en donde estará sujeta a calentamiento y ebullición ligera. Ventajosamente, el espacio anular lleno de agua contribuirá al aislamiento contra las pérdidas térmicas de la pila, asi como al enfriamiento de las superficies internas de la tubería de soporte de empaque interna. A medida que el agua cruda es hervida fuera del espacio anular (119) o que de otra manera se desborda del espacio anular, agua cruda adicional fluirá, manteniendo así un grado de circulación dentro de este espacio. Generalmente, la dimensión del espacio anular debería ser controlada para asegurar que no se de la ebullición dentro del espacio.
La tubería de drenaje (120) está conectada al intercambiador de calor (140) en donde se drena el agua cruda concentrada caliente del extremo inferior del espacio interior (23) hacia el espacio interior del intercambiador de calor (142) y hacia el primer tanque (60) .
También deberá tomarse nota que otros diseños podrían incorporar flujo ya sea perpendicular o concurrente dentro de la pila del evaporador, para realizar la evaporación .
Quemador Como se muestra en la Figura 4, el quemador (90) está conectado mediante el conector de flujo (102) hacia el interior de la cámara de expansión de gas (100) con un área de expansión de gas (103) . El área de expansión de gas (103) está conectada al espacio interior (123) mediante tubos de humo (117) . El aislamiento (101) está ubicado dentro de la cámara de expansión de gas (100) para aislar la cámara de expansión de gas (100) .
El quemador (90) es un quemador típico de aire forzado (ej., un quemador a diesel) que arroja combustible de los tanques (80) . El combustible y el aire se mezclan y atomizan dentro de la cámara de combustión para producir un calor de alta densidad y una flama de alta velocidad.
De manera importante, como se muestra en las Figuras 5 y 6, la fuente de calor se puede configurar para otras fuentes de calor, incluyendo varios tipos, modelos y tamaños de quemadores de aire forzado/combustible y/o el escape generado por una fuente de calor alterna tal como el motor. Ejemplos de fuentes de calor alternas en una plataforma de perforación incluyen motores de generador eléctricos que operan varios equipos tales como bombas de lodo. La captura de escape de calor de un motor puede ser capturada y fluida hacia el sistema mediante una manguera aislada (150) como una fuente de calor independiente. Como se muestra en las Figuras 5 y 6, una manguera aislada (150) está conectada a la pila del evaporador (110) por una línea de flujo aislada (152) mediante conexión (151).
Otra modalidad más se muestra en la Figura 7, en la que se proporciona un sistema dual. En esta modalidad, el sistema incluye dos pilas de tubos de humos aisladas (110), cada una configurada para una fuente de calor diferente, proporcionando asi al operador la oportunidad de elegir la fuente de calor más eficiente o combinada para una instalación dada. En el caso de que las máquinas adyacentes no estén presentes para activar el uso del calor residual de la máquina adyacente, el sistema podría ser cambiado a la fuente de calor del quemador diesel. Como las dos pilas de tubos de humos aisladas arrojan agua del mismo primer tanque, el cambio puede ser completamente rápido.
Un quemador diesel efectivo es el quemador diesel modelo CF-1400 de Beckett, capaz de suministrar aproximadamente 900,000 Btu/hr, resultando en el procesamiento de aproximadamente 9 metros cúbicos por día de agua cruda. Con las configuraciones de aire optimizadas en el quemador de aproximadamente 30 pies cúbicos por minuto (CMF por sus siglas en inglés) , la toma de aire por galón/hora de diesel consumido, creará una temperatura de gas de aproximadamente 800°C, el cual se enfría a aproximadamente 75 °C a medida que se escapa de la pila de evaporación (110) como saturado de escape con vapor de agua.
Sistema de Filtro (40) Como se hace notar anteriormente, el agua cruda es inicialmente bombeada a través de la tubería (46) hacia y mediante un colador de canasta en línea (47) para remover los grandes contaminantes de partículas mayores a aproximadamente una cuarta parte de una pulgada en diámetro .
El agua cruda es bombeada a través de la tubería (48) desde el colador de canasta en línea (47) hacia la manivela distribuidora (49) en donde el agua cruda es descargada de manera equitativa a través de la parte superior del filtro de pantalla (44). El filtro de pantalla (44) es preferentemente una pantalla curva de cable-v designada para remover las partículas suspendidas hacia abajo a aproximadamente 25 micrones. Otros tipos de sistema de prefiltrado que pueden ser sustituidos por filtros de tipo pantalla (44), según los que conocen los expertos en la materia, incluyen, pero no están limitados a, sistemas de filtro tales como filtros de auto limpieza eléctricos (auto purgantes), filtros que atrapan partículas, hidro-ciclones y separadores de partículas de tipo centrífugo. El filtro de pantalla (44) está diseñado para separar y dirigir las partículas separadas hacia el segundo tanque (50) en donde el material residual se almacena para su remoción periódica.
Segundo Tanque El segundo tanque (50) tiene un fondo pendiente (52) para dirigir pasivamente el material residual hacia la puerta de volcado (54), lo que hace del proceso de limpieza algo fácil y eficiente para el operador.
Primer Tanqu El agua cruda que pasa a través del filtro de pantalla (44), fluye hacia el primer tanque (60). El primer tanque tiene suficiente volumen, de forma tal que sirve como un tanque de almacenamiento y como un tanque sedimentación, en donde, a tasas de flujo operacional normales, el agua cruda en el primer tanque se establecerá y estratificará debido a la ausencia de circulación significativa de fluido que de otra manera, mezclarla el contenido del tanque. Operacionalmente, esto mejorará la eficiencia en que la sedimentación de líquidos más densos, y partículas (incluyendo precipitados de sales) , minimizará la cantidad de calor usada para calentar las partículas suspendidas .
Condiciones Operacionales y de Diseño Generalmente, por cada 100,000 Btu/hr de corriente de gas caliente, un sistema propiamente aislado debería evaporar aproximadamente 1 metro cúbico de agua al día. Por lo tanto, para una entrada dada de 900,000 Btu/hr, el sistema debería evaporar aproximadamente 9 metros cúbicos de agua por día. Como es sabido que por 3.8 litros de diesel consumido, se generan 140,000 Btu/hr de energía, por lo tanto, un sistema de 900,000 Btu/hr consumirá aproximadamente 24.6 litros por hora (LPH) de diesel. Esto equivale a aproximadamente $50 dólares en el consumo de diesel por metro cúbico de agua evaporada. Esto se compara con los evaporadores de calentador típicos de la materia previa en donde el costo de evaporación está típicamente en el rango de $150 dólares de diesel por metro cúbico de agua evaporada, debido a las pérdidas térmicas y las ineficiencias del sistema.
De manera similar, el uso del calor residual de una máquina diesel, cumpliría la misma evaporación para una tasa efectiva de $0 dólares en costo extra de combustible por metro cúbico de agua evaporada. Como tal, los ahorros en combustible son altamente atractivos para los operadores potenciales, especialmente debido a que el uso del calor de escape en el sistema tiene el beneficio añadido de emisiones de gas ácido reducidas del escape de diesel que de otra manera seria descargado hacia el medio ambiente, debido a los efectos de depuración dentro de la pila del evaporador. Esto es, el sistema puede ser altamente efectivo en remover las partículas, suciedad y otros químicos de combustión de los gases dentro de la pila del evaporador. De conformidad, el sistema puede ser operado como un evaporador, un sistema de limpieza de gas de escape (de manera efectiva, sin evaporación o con evaporación mínima) o como una combinación de ambos.
Más aún, el tipo particular de agua cruda efluente desde las operaciones de perforación, puede, además, mejorar la capacidad del sistema para limpiar gases de escape. Por ejemplo, la purga de calderas, un tipo de agua residual contaminada químicamente producida durante las operaciones de la plataforma de perforación, normalmente se conserva en un alto pH por el personal de la plataforma. Esto se logra añadiendo aditivos químicos alcalinos costosos al agua usada en el sistema de calderas de la plataforma, para que el agua/vapor alcalino circule, aunque los efectos de escalada del equipo de perforación se minimicen. De conformidad, la purga de calderas es agua altamente contaminada, y debido a su alcalinidad, puede ser un efluente altamente efectivo para la neutralización de gases ácidos o escape de motor. Por lo tanto, como un agente neutralizante, esta solución alcalina puede ayudar en la prevención del escape de los gases ácidos de la pila de combustión y, por lo tanto, es otro ejemplo de cómo la presente invención puede hacer uso de un producto fácilmente disponible, caro, y típicamente de desecho, sin ningún costo adicional para el operador, ya que su costo ya ha sido pagado en otras operaciones de perforación. Por lo tanto, la naturaleza química del agua cruda a ser evaporada, puede venir en forma tal que ayude al sistema en una función secundaria o independiente para limpiar los gases usados para evaporar el agua cruda.
Más aún, si se desea, el sistema se puede operar a una tasa de mayor cadencia, resultando en la evaporación de agua más rápida en un marco de tiempo dado, al simplemente incrementar la presión de la bomba de combustible, cambiando la boquilla por una de mayor capacidad y/o incrementando la toma de aire del quemador. Como saben los expertos en la materia, la escalabilidad es deseable, debido a que, en tiempos de lluvias, el operador necesitará frecuentemente incrementar la tasa de proceso. De manera importante, el sistema que nos ocupa, permite una tasa de incremento rápida en la tasa de procesamiento, simplemente al incrementar las tasas de flujo y las temperaturas del quemador, sin el retraso de la remanufactura fuera del sitio típica en la materia previa.
Además, el uso del calor de escape de un sistema de motor/generador solo o junto con un . quemador de combustible de aire forzado, que varia típicamente en un rango de 500 k h a 1, 000 kWh (1.5M-3M Btu/hr) para su uso en una plataforma de perforación, por ejemplo, proporcionaría suficiente energía de calor para procesar unos 10 a 20 metros cúbicos adicionales de agua cruda por día sin ningún costo nuevo para el operador, ya que el costo del combustible quemado ya fue pagado en otras operaciones .
De manera importante, el uso de calor de escape de motor residual requiere el control/monitoreo de la contrapresión siendo ejercida en el sistema de escape del motor. En una operación típica, esto es típicamente 100 cm de columna de agua (WC por sus siglas en ingles) . El sistema que nos ocupa está diseñado para operar entre 1-2 cm de WC debido a la falta de resistencia significativa de flujo dentro del empaque aleatorio, empaque estructurado, una combinación de ambos, y/o vía de flujo de boquilla de rocío o atomizadora.
Los métodos para la generación de grandes cantidades de área de superficie de agua cruda pueden ser importantes para la tasa eficiente de transferencia de masa térmica de calor del gas caliente hacia el agua cruda para fines de evaporación. Más específicamente, se prefiere el empaque aleatorio tasado en más de 150m2/m3 con 75%-98% de espacio anulado y se prefiere el empaque estructurado con 500m2/m3 con 98%+/- de espacio anulado para su uso con una máquina de 500 kWh que tiene una tasa de flujo de escape de aproximadamente 3,200-3,400 CFM con una temperatura de 500-700 °C, u otro dispositivo de quema de combustible tal como un quemador diesel que produzca gases de más de 800°C. Como una alternativa para la generación de grandes cantidades de área de superficie de agua cruda y su distribución dentro de la pila de combustible, las boquillas atomizadoras o boquillas de roción se pueden usar solas o junto con material de empaque.
La naturaleza ácida de la corriente de gas debe también considerarse para evitar la corrosión, picaduras y debilitamiento de materiales usados en el aparato, debido a las altas temperaturas involucradas. Por ejemplo, cuando los óxidos de azufre en el vapor del gas de diesel reaccionan con el agua cruda, se forma el ácido sulfúrico diluido (liquido) , el cual, en cambio, puede reaccionar con diferentes químicos dentro del agua residual. Como resultado, el empaque cerámico aleatorio es la opción preferida para una matriz de área de superficie para que el gas caliente entre en contacto primero, debido a su resistencia a la corrosión y la alta tolerancia al calor. Al fluir el gas caliente a través del empaque aleatorio primero, el gas es enfriado antes de entrar al empaque estructurado, preservando asi la vida del empaque estructurado, ya que el empaque estructurado se hace generalmente de aleaciones más delgadas. Una capa de 10" de empaque aleatorio es suficiente para reducir la temperatura del gas de aproximadamente 800°C a 150°C. Para el empaque estructurado, es preferido el Hastelloy C22, debido a su resistencia a los corrosivos oxidantes, resistencia a la corrosión y estabilidad térmica a temperaturas que van desde 650°C - 1,040°C. El acero inoxidable también se puede usar, pero generalmente necesitará reemplazo más frecuente.
La formación de escamas es otro problema como la suciedad y las partículas, además de que las sales de las reacciones químicas se concentran en un volumen de agua reducido en la columna. Estas cuestiones químicas y de calor se controlan manteniendo suficiente flujo de agua concentrada regresando al primer tanque. Debido a que el agua cruda concentrada está fluyendo a través de un intercambiador de calor, el calor es retenido en la columna. Esto es importante para evitar y/o controlar el escamado, ya que la tasa de alimentación de agua puede incrementarse, y a pesar de la proporción de evaporación a los cambios del agua alimentada, la tasa global de evaporación permanece sustancialmente constante. Como resultado, el sistema tiene el beneficio de tener más agua fluyendo como agua cruda concentrada, y por lo tanto, se puede usar para mantener una temperatura más fría dentro de la columna con formación de escamas limitada.
Para minimizar aún más los requerimientos de mantenimiento por remover periódicamente las escamas, la configuración de empaque preferida del empaque aleatorio adyacente al quemador y el empaque estructurado en la porción superior de la pila del evaporador, proporciona ventajas de costos ya que la mayoría de las escamas se dará en las regiones inferiores de la pila del evaporador y el empaque aleatorio es generalmente más barato de reemplazar que el empaque estructurado si el escamado necesitara limpieza y/o reemplazo. En otra configuración, el agua cruda rociada de boquillas por debajo del material de empaque, está en contracorriente directa a la corriente de gas, y también puede ayudar en la limitación de las escamas, mientras enfría el gas antes de que éste entre en un material de empaque.
El quemador (90) se puede aumentar con un ventilador adicional para forzar que aire adicional entre en el sistema del quemador para proporcionar un exceso de aire seco para asegurar que el fluido de escape no se saturará completamente.
El plenum de descarga (102) y la cámara de expansión de gas caliente (103) , se forman como una cavidad dentro de un material de aislamiento de alta densidad (101) mantenido en su lugar mediante la carcasa de la cámara de expansión de combustión (100). El material de aislamiento de alta densidad (101) proporciona suficiente aislamiento para asegurar que una cantidad máxima de energía de calor generada por el proceso de combustión, sea retenida dentro de esa porción del circuito de gas caliente. En una modalidad, se usan aproximadamente 4.08 kg/30cm3 módulos duplicados de aislamiento de bloqueo de anclaje de manta de cerámica, los que se considera que tienen más de 800°C en la parte caliente, mientras que conservan la parte caliente por debajo de los 35°C con una tasa baja de conductividad térmica. Esto asegura que el agua en el tanque esté cerca de la temperatura ambiente, y el calor se queda en la cámara de expansión, el intercambiador de calor y el sistema evaporador.
Un beneficio adicional de esta opción de módulos de aislamiento, es que los módulos de mantas duplicados se comprimen uno contra el otro a medida que son anclados a las paredes de la cámara de combustión, por lo que el disparo repetido en la cámara no va a reducir el aislamiento, permitiendo que el calor entre al aislamiento, como es el caso de uso de tabla de fibra de cerámica aislante tradicional. Más aún, este estilo de módulo de manta no se volverá frágil, como lo hará la tabla de fibra tradicional por el disparo repetido. Esto es benéfico para un sistema móvil que será cargada y descargado de camiones de transporte, conducidos a través de caminos no pavimentados y sujetos a extrema vibración tal como las unidades móviles entregadas en sitios de perforación remotos .
El agua cruda es arrojada hacia y a través de la linea de succión (72) desde el tanque de agua cruda (60) mediante la acción de la bomba (70) . Aunque existen grandes rangos de bombas que pueden ser usadas, la modalidad preferida seria una bomba centrifuga montada verticalmente. A diferencia de otras bombas, debido a que no hay sellos como barreras para el flujo, la bomba centrifuga permitirá que el agua en las tuberías del sistema se auto-drene cuando la bomba es apagada (siempre y cuando la línea que se requiere sea drenada esté por arriba de la bomba y el nivel del agua en el tanque de almacenamiento (60) esté por debajo de la bomba). Esto es particularmente benéfico cuando el sistema es operado a temperaturas bajo cero. Además, un diseño de sistema de auto-drenaje reduce la posibilidad de que las líneas de alimentación se congelen estallen cuando el sistema no está en operación, mejorando así la fiabilidad y otros costos operacionales . Los estilos de bombas alternos podrían también incluir bombas de colocación positiva y bombas de diafragma con un depósito de glicol asociado, para llenar las líneas de agua al apagarse el sistema.
Se pueden usar otros intercambiadores de calor en lugar del tubo preferido en el tubo, por ejemplo, una placa intercambiadora de calor. En la modalidad preferida, debido a que la gravedad está actuando sobre el agua concentrada que regresa al tanque, el tubo exterior (141) debería ser lo suficientemente grande como para permitir el flujo completamente libre del líquido de descarga de vuelta al tanque (60) . Por lo tanto, con volumen suficiente en el espacio (142), el agua concentrada fluirá preferentemente sólo en el área inferior del espacio (142). Esto quiere decir que el tubo (74) debería colocarse en la parte inferior del espacio (142) para facilitar la transferencia del calor en la corriente de agua cruda concentrada a través del área de superficie de la línea de alimentación (74) y hacia el agua de alimentación. A manera de ejemplo, para un sistema que evapora 9 metros cúbicos de agua por día, un intercambiador de calor de 12 metros es suficiente, y para ahorrar espacio, es unido helicoidalmente junto al elevador, pero también para promover el flujo hacia abajo, particularmente en caso de que el polín no esté nivelado en un sitio de trabajo. Este método permite que el agua cruda (típicamente alrededor de 98°C) arroje su. calor sensible al agua cruda alimentada. El agua cruda alimentada, por lo tanto, es enfriada a unos pocos grados dentro del agua de alimentación antes de ser descargada de vuelta al primer tanque, preservando asi el calor en o adyacente a la pila del evaporador.
La tasa de bombeo del agua de alimentación depende de la tasa de evaporación deseada. Típicamente, el sistema se configuraría para bombear una tasa de alimentación de aproximadamente un 20% o más por arriba de la tasa de evaporación deseada, según se determine por la entrada de Btu de la fuente de gas caliente elegida.
Los gases calientes distribuidos radialmente alrededor de la base del recolector (115) fluyen primeramente hacia y a través del empaque aleatorio (114) en donde los gases calientes son distribuidos a través del espacio volumétrico presentado por el empaque aleatorio (114), y por lo tanto, entra en contacto con el agua cruda que fluye a través del empaque aleatorio (114) . Los gases calientes están sujetos a un primer nivel de calor de contraflujo transferido al agua cruda. Esta primera interacción del gas y el agua en el empaque aleatorio, permite que las escamas, el enfriamiento significativo del gas y las reacciones químicas, tengan lugar en la capa menos costosa, térmicamente estable (en altas temperaturas) y resistente a la corrosión. También es en esta región en donde los óxidos de azufre en los gases de escape, sucios y en partículas, son predominantemente removidos de la corriente de gas y se les permite fluir fuera del drenaje (120) con el agua concentrada rechazada. A esta función en la región de flujo del gas caliente, se añade el agua que se derrama (118) desde el espacio (119) directamente hacia el espacio anular entre la base del recolector (115) y la pared (119) que además se añade al efecto de enfriamiento de gas.
Los gases calientes que pasan a través del empaque aleatorio (114), pasan después hacia y a través del empaque estructurado (113) en donde los gases calientes están sujetos a un segundo nivel de transferencia de calor en contraflujo hacia el agua cruda que fluye verticalmente hacia abajo a través del empaque estructurado (113) . Esta capa de empaque estructurado, con un área de superficie mucho más alta a la proporción del volumen, completa el proceso de evaporación trayendo la mezcla de gas y vapor de agua a una temperatura de aproximadamente 75°C, a medida que se descarga hacia la atmósfera.
Como resultado, el calentamiento del agua cruda al forzar la interacción directa de los gases de combustión caliente y el agua cruda, permite una transferencia de masa térmica altamente eficiente. Otros tipos de materiales y configuraciones se pueden usar para efectuar la interacción entre los gases de combustión caliente y el agua cruda, con niveles variantes de eficiencia, incluyendo, pero no limitado a, cortes de operación de maquinaria, burbujeadores tipo setas, boquillas de rocío o atomización, empaque aleatorio y empaque estructurado.
Se pueden usar varios medios para distribuir el agua cruda a lo largo de la parte superior del empaque estructurado (113) , tales como boquillas de rocío, boquillas atomizadoras, distribuidor de gravedad y un distribuidor tipo "T". Aquellos sistemas que minimizan las caídas y arrastres de presión, son los que se prefieren.
Si se requiere descarga de vapor seco, un eliminador de niebla (no mostrado) se puede instalar dentro de la pila del evaporador (110) para atrapar los goteos de líquido arrastrados al ser transportados en el vapor de escape, proporcionando así, mayor tiempo de permanencia para que los goteos del líquido se evaporen y pasen hacia la atmósfera como vapor puro.
El control del sistema se activa con un número mínimo de puntos de control. Una unidad de Controlador Lógico Programable (PLC por sus siglas en inglés) o de Controlador Lógico Simple (SLC por sus siglas en inglés) , proporciona el sistema necesario para medir la entrada de niveles específicos de temperatura de los fluidos de escape que vienen del interior de la pila del evaporador (110), para asegurar que los procedimientos de arranque operen correctamente. En la modalidad preferida, el termopar sirve sólo para señalar el apagado del sistema, si la bomba o el quemador cesar su operación, detectándose en un incremento o reducción significativos en la temperatura durante la operación. En otra modalidad, el termopar está diseñado para analizar la información, y genera una señal de control para ajustar el volumen de agua cruda alimentada en el sistema, lo que en cambió, modula la temperatura de escape (este método de detección puede ser necesario sólo en la ausencia del intercambiador de calor en el sistema) . Un solo termopar (122) colocado dentro del espacio interior formado por una superficie interior del tubo (112), proporciona la temperatura de operación dentro del espacio interior definido por la pared interior (112). El PLC, en cambio , ajusta la velocidad de la bomba (70) para modular el volumen del agua cruda que está siendo alimentada al sistema. Al ajustar la alimentación del agua cruda como una función de la cantidad de calor que está siendo generada en cualquier momento dado, la evaporación óptima se puede llevar a cabo. El monitoreo y ajuste de temperaturas dentro del interior de la pila del evaporador (100), por lo tanto, es usado de para maximizar de manera efectiva la vaporización del agua cruda. El termopar (122) detecta la temperatura del vapor de fluido en los gases de escape y cuando la temperatura varia de aproximadamente 75 °C, una unidad de frecuencia variable (VFD por sus siglas en inglés) , controlada por el PLC, ajustará la velocidad de la bomba (70) para que module la operación del sistema de evaporación para que genere temperaturas de escape de fluido dentro del rango óptimo para la salida deseada. Generalmente, una vez que los parámetros son configurados, el sistema no requerirá ninguna otra atención, y operará automáticamente dentro de los rangos preestablecidos.
Aunque se ha descrito e ilustrado la invención con respecto a sus modalidades y usos preferidos, no debe estar limitada, debido a que se le pueden hacer modificaciones y cambios a la misma, que están dentro del alcance total y pretendido de la invención, según se entiende por los expertos en la materia.

Claims (62)

REIVINDICACIONES
1. Un evaporador para la concentración de contaminantes dentro del agua cruda, que comprende: un evaporador de agua cruda que incluye un tubo de humos conectado a una fuente de gas caliente, en donde el gas caliente es un gas de combustión; un sistema de distribución de agua cruda para la distribución del agua cruda dentro del tubo de humos para incrementar el área de la superficie del agua cruda; y un sistema de recolección de agua cruda concentrada conectado al tubo de humos para recolectar el agua cruda concentrada del tubo de humos. :
2. El evaporador según la reivindicación 1, comprendiendo, además, un primer tanque conectado operativamente al evaporador de agua cruda, el primer tanque para recibir y almacenar el agua cruda y el ¡agua cruda concentrada.
3. El evaporador según la reivindicación 2, caracterizado porque el primer tanque permite la estratificación del agua cruda.
4. El evaporador según la reivindicación 4, caracterizado porque el agua cruda tiene una superficie liquida dentro del primer tanque, comprendiendo, aidemás, una toma configurada a un flotador que permite que el agua cruda sea arrojada desde una profundidad por debajo de la superficie del liquido dentro del primer tanque, para la entrega al sistema de distribución de agua cruda.
5. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el material de empaque es usado para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
6. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque cualquiera o una combinación de boquillas rodadoras y boquillas atomizadores, se usan para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
7. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el tubo de humos es una pila de tubo de humos.
8. El evaporador según la reivindicación 7, caracterizado porque la fuente de gas caliente proporciona gas caliente a la pila del tubo de humos en una posición inferior, y el gas caliente se eleva dentro de la pila de tubo de humos a través del agua cruda distribuida.
9. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el agua cruda fluye contracorriente al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos.
10. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el agua cruda fluye concurrente al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos .
11. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el agua cruda fluye perpendicular al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos .
12. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque la fuente de gas caliente es un sistema de combustión basado en hidrocarburos, conectado operativamente al tubo de humos y en donde el gas es un gas de escape de sistema de combustión de hidrocarburos.
13. El evaporador según la reivindicación 12, en donde la fuente de gas caliente es un quemador de flama.
14. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 13, caracterizado porque el sistema de recolección de aguas concentrado está en comunicación fluida con el primer tanque.
15. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, comprendiendo, además, un intercambiador de calor en donde el fluido del sistema de recolección de agua cruda concentrado está en contacto de intercambio de calor con el fluido en el sistema de distribución de agua cruda, el intercambiador de calor para pre-calentar el fluido en el sistema de distribución de agua cruda, antes de su distribución dentro del tubo de humos .
16. El evaporador según la reivindicación 15, caracterizado porque el intercambiador de calor es un sistema de drenaje de gravedad con respecto al flujo de agua concentrada.
17. El evaporador según la reivindicación 16, caracterizado porque el intercambiador de calor es un intercambiador de calor de tubo-en-tubo .
18. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 17, caracterizado porque el material de empaque incluye empaque estructurado.
19. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 18, caracterizado porque el material de empaque incluye empaque aleatorio.
20. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 19, caracterizado porque el material de empaque es una combinación de empaque estructurado y empaque aleatorio, y en donde el empaque aleatorio está por debajo del empaque estructurado dentro del tubo de humos.
21. El evaporador según cualquiera dé las reivindicaciones 2 a 20, comprendiendo, además, un sistema de separación conectado operativamente al primer tanque para la separación de partículas del agua cruda, antes de su entrega al primer tanque.
22. El evaporador según la reivindicación 21, caracterizado porque el sistema de separación incluye una pantalla ubicada operativamente arriba del primer tanque y una manivela de distribución arriba de la pantalla en donde el agua cruda es distribuida sobre la pantalla por la manivela de distribución, y pasa a través de la pantalla hacia el primer tanque, y en donde la materia de partículas no pasa a través de la pantalla y es entregada a un segundo tanque .
23. El evaporador según las reivindicaciones 21 ó 22, caracterizado porque el sistema de separación incluye el primer tanque, que actúa como un tanque de sedimentación para sedimentar la materia de partículas dentro del agua cruda .
24. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 23, caracterizado porque cada uno del primer tanque, evaporador de agua cruda, sistema de distribución de agua cruda y sistema de recolección de agua cruda concentrada, están operativamente configurados a cualquiera o a una combinación de un polín y remolque para la entrega en un sitio de trabajo.
25. El evaporador según la reivindicación 24, caracterizado porque el polín o remolque incluye un tanque de combustible para el almacenamiento de combustible para la fuente de gas caliente.
26. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 25, caracterizado porque el polín o remolque incluye, además, el sistema de separación.
27. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque la fuente de gas caliente es un quemador a diesel.
28. El evaporador según la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de gas caliente es escape de motor de una máquina adyacente y el evaporador de agua cruda incluye tubería aislada que tiene un primer extremo conectado operativamente al tubo de humos y un segundo extremo para la conexión operativa a la máquina adyacente.
29. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 28, caracterizado porque la fuente de gas caliente incluye un tubo de humos de fuente de gas caliente que se extiende hacia una posición más baja de la pila de tubo de humos, la fuente de gas caliente teniendo un sistema de deflexión de calor para desviar radialmente el calor desde la fuente de gas caliente a la entrada al tubo de humos.
30. El evaporador según la reivindicación 29, caracterizado porque el sistema de deflexión de calor es una base que tiene una placa superior y al menos dos alas huecas que definen las aperturas del tubo de humos entre la placa superior y el tubo de humos de fuente de gas caliente, y en donde el agua cruda que afecta a la placa superior, puede fluir a través de al menos dos alas huecas hacia el sistema de recolección de agua cruda concentrada.
31. El evaporador, según cualquiera dé las reivindicaciones 1 a 30, comprendiendo, además, un delineador interno dentro del tubo de humos, en donde el delineador interno está dimensionado para definir un depósito de fluidos entre el tubo de humos y el delineador interno para la recolección y recepción del agua cruda que fluye hacia abajo para proporcionar enfriamiento y aislamiento a una posición más abajo del tubo de humos.
32. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 31, comprendiendo, además, un sistema de control, el sistema de control incluyendo al menos un termopar para el monitoreo de la temperatura dentro del tubo de humos y al menos una bomba para el control del flujo del agua cruda hacia el sistema de distribución del agua cruda.
33. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 32, caracterizado porque la fuente de gas caliente incluye una cámara de expansión de gas conectada operativamente a la pila de tubo de humos.
34. El evaporador según la reivindicación 19, en donde el empaque aleatorio tiene un volumen suficiente como para disipar una temperatura de gas caliente en un rango de 300°C a 1,500°C a una temperatura de gas caliente en el rango de 50°C a 1,000°C antes de entrar al empaque estructurado.
35. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34, comprendiendo, además, un segundo tubo de humos adaptado para su configuración a una fuente de gas caliente alterno.
36. El evaporador según la reivindicación 28, caracterizado porque el tubo de humos y la tubería aislada tienen una contrapresión total al motor adyacente, permitiendo que el motor adyacente opere a menos de 100 cm de columna de agua de contrapresión.
37. El evaporador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 36, caracterizado porque el evaporador de agua cruda simultáneamente evapora el agua y remueve las partículas, suciedad y químicos de combustión de- la corriente de- gas.
38. Un método para la concentración de contaminantes dentro del agua cruda, que comprende : los pasos de: proporcionar calor en forma de gases calientes a un tubo de humos en donde el gas caliente es un gas de combustión; distribuir agua cruda dentro del tubo de humos mediante una técnica de generación de área de superficie; hacer que el agua cruda entre en contacto directo con los gases calientes; y recolectar el agua cruda concentrada del tubo de humos .
39. El método según la reivindicación 38, caracterizado porque el agua cruda es enviada desde las operaciones de plataforma de perforación y/o alrededor de un sitio de plataforma de perforación.
40. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 39, caracterizado porque al agua cruda se le permite estratificarse antes de su distribución dentro del tubo de humos.
41. El método según la reivindicación 40, caracterizado porque el agua cruda tiene una superficie liquida y el crudo enviado al sistema de distribución de agua cruda es arrojado desde una profundidad por debajo de la superficie del liquido.
42. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 41, caracterizado porque el material de empaque se usa para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
43. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 42, caracterizado porque cualquiera o una combinación de boquillas rodadoras y atomizadoras, se usan para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
44. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 43, caracterizado porque el agua cruda fluye en contracorriente al flujo de los gases calientes dentro del tubo de humos.
45. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 43, caracterizado porque el agua cruda fluye concurrente al flujo de los gases calientes dentro del tubo de humos.
46. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 43, caracterizado porque el agua cruda fluye perpendicular al flujo de los gases calientes dentro del tubo de humos.
47. El método según cualquiera de las reivindicaciones 38 a 46, comprendiendo, además, el pasó de pre-calentar el agua cruda al colocar el agua cruda concentrada en contacto de intercambio de calor con el agua cruda antes de distribuir el agua cruda a una región superior del tubo de humos.
48. El método según cualquiera de las reivindicaciones 42 a 47, comprendiendo, además, el paso de controlar la temperatura dentro del tubo de humos para minimizar la formación de escamas en el material de empaque o dentro del tubo de humos.
49. El método según cualquiera de las reivindicaciones 42 a 47, comprendiendo, además, el paso de controlar la temperatura dentro del tubo de humos para minimizar la formación de químicos corrosivos en el material de empaque o dentro del tubo de humos.
50. Un método para concentrar simultáneamente los contaminantes dentro del agua cruda y para eliminar suciedad, partículas y/o químicos de los gases de tubos de humo y/o escape de motor, comprendiendo los pasos de: proporcionar calor en la forma de gases calientes a una pila de tubo de humos en donde el gas caliente es un gas de combustión; distribuir agua cruda dentro del tubo de humos mediante una técnica de generación de área de superficie: hacer que el agua cruda entre en contacto directo con los gases calientes; y recolectar el agua cruda concentrada del tubo de humos.
51. El método según la reivindicación 50, caracterizado porque el agua cruda es enviada desde las operaciones de la plataforma de perforación y/o alrededor de un sitio de plataforma de perforación.
52. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 51, caracterizado porque al agua cruda se le permite estratificarse antes de su distribución dentro del tubo de humos.
53. El método según la reivindicación 52, caracterizado porque el agua cruda tiene una superficie liquida y el crudo enviado al sistema de distribución de agua cruda es arrojado desde una profundidad por debajo de la superficie del liquido.
54. El método según cualquiera de; las reivindicaciones 50 a 53, caracterizado porque los gases calientes son enviados desde cualquiera o una combinación de los gases del tubo de humos y el escape del motor.
55. El método según cualquiera de; las reivindicaciones 50 a 54, en donde el material de empaque se usa para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
56. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 55, caracterizado porque cualquiera o una combinación de boquillas rodadoras y boquillas atomizadoras se usan para generar área de superficie de agua cruda dentro del tubo de humos.
57. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 56, caracterizado porque el agua cruda fluye contracorriente al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos.
58. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 56, caracterizado porque el agua cruda fluye concurrente al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos.
59. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 56, caracterizado porque el agua cruda fluye perpendicular al flujo de gases calientes dentro del tubo de humos.
60. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 59, comprendiendo, además, el paso de precalentar el agua cruda al colocar el agua cruda concentrada en contacto de intercambio de color con el agua cruda, antes de distribuir el agua cruda a una región superior del tubo de humos.
61. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 60, comprendiendo, además, el paso de controlar la temperatura dentro del tubo de humos para minimizar la formación de escamas en el material de empaque.
62. El método según cualquiera de las reivindicaciones 50 a 60, comprendiendo, además, el paso de controlar la temperatura dentro del tubo de humos para minimizar la formación de químicos corrosivos dentro del material de empaque o dentro del tubo de humos.
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