SEPARADOR DINAMICO DE PARTICULAS
CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con un dispositivo para un separador dinámico de partículas para la separación de partículas en un líquido, gas o ambos, donde el separador comprende un tanque el cual está equipado con una abertura de entrada superior y una abertura de salida superior y una inferior para exportar líquido y/o gas o partículas respectivamente, además, un tanque comprende un eje equipado con un número de álabes o paletas que están arregladas para ser accionadas por un motor adjunto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION El punto inicial es el problema de la industria del petróleo en la que es producida arena, con frecuencia en cantidades considerables, junto con petróleo y gas. Este es un fenómeno el cual es conocido en todo el mundo. La arena sigue al flujo de líquido y gas por medio de los cabezales de pozo a grandes partes de las plantas de procesamiento, y también puede encontrarse en el agua separada que es reinyectada en los pozos que son usados para soportar presión en los reservorios. Además, la arena y otras partículas ocurren muy frecuentemente en cantidades considerables en diferentes tipos de pozos y operaciones de perforación. La arena y partículas en flujos de líquidos y gases conduce a desgaste físico y un periodo de vida reducido de equipo como válvulas, sistemas de tubería y bombas. Una capacidad reducida y por lo tanto una disminución de la producción son otros daños como consecuencia resultante de la presencia de arena, además de menor seguridad. Finalmente, la separación y deposición de las mezclas de petróleo y/o arena es un área a la cual las autoridades ambientales están dando cada vez más atención. Han sido usadas diferentes soluciones técnicas en un esfuerzo por separar partículas del flujo de líquido/gas. El método más común es usar filtros de diferentes tipos y dimensiones. Un problema común es -que tos filtros se bloquean cuando existen grandes cantidades de arena y partículas en el flujo de líquido/gas. Los procesos de limpieza para filtros pueden ser complicados y/o demandar tiempo y recursos . Otra solución es usar hidrociclones, los cuales con ayuda de la fuerza centrífuga, utilizan la diferencia en la gravedad específica entre las partículas y el líquido/gas en el proceso de separación. El proceso toma lugar en cilindros cónicos. Las partículas que son separadas son retiradas desde una abertura en el fondo del cono, mientras que el fluido limpio es retirado en la parte superior del cilindro. Los ciclones pasivos tradicionales de este tipo colocan cierta demanda sobre la velocidad de flujo del fluido para funcionar efectivamente. Si la velocidad del liquido/gas cae fuera del área del ciclón pasivo para el que está diseñado, la salida cae, algunas veces drásticamente. El diámetro interno del cabezal del ciclón es ajustado exactamente a la velocidad de flujo estimada y el volumen del flujo del liquido/gas. A presiones altas grandes cantidades de gas en el flujo de fluido, la presencia de arena será capaz de desgastar el ciclón en algunas horas o días. Además, el tipo de ciclón pasivo tiene una limitación de aplicación esencial, puesto que no puede ser aplicado donde la presión del pozo sea baja. Este es el caso en muchos pozos en todo el mundo, y con frecuencia ocurre en pozos del lecho oceánico. La razón de esto reside en el modo de operación en si. Los ciclones pasivos recolectan/usan la energía en/del flujo de fluido para la separación de las partículas. Las pérdidas de presión en los ciclones pueden ser de hasta 8-12 bares. Como se mencionó esto conduce a costos elevados para las compañías petroleras y un esfuerzo considerable para separar partículas, por ejemplo, durante la producción de petróleo, debido a que las partículas de arena tienen efectos dañinos sobre el equipo a través del cual es transportado el petróleo. Este puede ser un transportador, o tanques de bloques y refinerías. Dentro de la industria de proceso las partículas también pueden conducir a erosión de los sistemas de tubería entre otras cosas, con los riesgos de seguridad asociados, y también el bloqueo de filtros. De este modo, el equipo que es usado para la separación ha dependido del tamaño de partícula de la velocidad de flujo de líquido y/o gas donde se encuentran. El separador de partículas de acuerdo a la invención puede ser usado en partículas para, por ejemplo, la separación de partículas de arena de petróleo y gas en tubos de producción de petróleo, separación de partículas en la industria de proceso o separación de partículas, por ejemplo, en un suministro de agua. _ La separación de partículas toma lugar en dos pasos, en los que las partículas más grandes en un número de casos siguen en la pared interna de un tanque y caen fuera de este mientras que en un segundo paso se hacen circular, por medio de un sistema de álabes motorizados, el flujo de gas y/o líquido junto con las partículas alrededor del exterior e interior de un cilindro encerrado con ranuras, algunas de las cuales dan como resultado partículas finas que son conducidas activamente hacia los bordes del tanque por la fuerza centrifuga puesto que tienen una densidad másica mayor que el medio. Las partículas se deslizan a través de las ranuras en un cilindro interno hacia un espacio anular externo. Posteriormente, debido a la fuerza de gravedad, caerá al fondo del tanque, donde son dejadas o a un segundo tanque subyacente para la recolección de partículas o a un sistema de drenaje, al mismo tiempo que el líquido es todo el tiempo dejado fuera de una abertura de salida conectada a la parte superior del tanque de presión superior. Hoy en día, no existen aparatos que se basen en el mismo principio de dos pasos, que puedan separar partículas en un flujo de líquido y/o gas. No existen aparatos basados en una combinación de rotación propia pasiva y que hagan girar activamente el flujo de fluido al mismo tiempo. Hoy en día los aparatos son más dominados por la filtración tradicional, p se. basan, en- conos puros en los cuales un medio mezclado circula únicamente sobre la base de su propia velocidad de flujo. Los aparatos que existen hoy en día no son capaces de separar partículas en un medio fluido alternando una velocidad de flujo alta y baja, y normalmente no pueden separar partículas de diferentes tamaños y densidades másicas, por ejemplo arenas que varían de aproximadamente la arcilla a aproximadamente la grava. Con la presente invención es posible llevar a cabo la separación independientemente del tamaño de partícula e independientemente de la velocidad de flujo del medio fluido . De técnicas conocidas, puede ser mencionada la EP 0473566 Bl entre otras. Este documento describe un aparato de hidrociclón que comprende un cuerpo hueco extendido con aberturas de entrada y salida, donde dentro del cuerpo hueco o cilindro, se forman un primer flujo vorticial del liquido en un extremo superior y un segundo flujo vorticial en una parte inferior del cilindro. Una cubierta cónica está colocada en la parte inferior para asegurar que las partículas más pesadas que caigan no sean agitadas nuevamente hacia arriba por el flujo turbulento. No se usan álabes o similares para proporcionar el flujo turbulento. Además, la WO 80/02651 también deberá ser señalada. Esta invención describe un separador de polvo, en el cual un eje con una paleta filtrante que gira está fijo en un separador ciclónico. El polvo y las partículas son separadas principalmente con la ayuda de filtros que giran. Ninguno de los aparatos conocidos hoy en día usa un medio de dos pasos para incrementar la velocidad de rotación del medio fluido. Se ha demostrado que existe la necesidad de poder llevar a cabo la separación de una fracción alta de partículas de varios tamaños a varias velocidades de flujo, por ejemplo, debido al deseo de evitar el desgaste, circulación repetida del flujo de petróleo a través de varios contenedores y filtros, o el uso de varios métodos de limpieza. Además, existe la necesidad de un método, el cual usa la invención para obtener como resultado una reducción considerable de costos para, por ejemplo, compañías petroleras en relación al uso de los métodos existentes. LA INVENCION Lo que se obtiene de la invención con relación a las técnicas actuales, es antes que todo que el usuario puede mejorar, de manera general, la salida de separación de partículas a través de una circulación elegida de medio que contiene partículas. El usuario reduce considerablemente sus costos de los sistemas de separación de partículas, además los problemas de desgaste debido a las partículas en las tuberías y otro equipo se reduce considerablemente y como resultado se reducen los costos de mantenimiento. El usuario no depende de que las partículas separadas caigan dentro de un área estrecha con respecto al tamaño, o que la separación pueda llevarse a cabo únicamente dentro de un intervalo estrecho de velocidades de flujo. Los medios que aseguran que esto sea logrado, son, en primer lugar, que se desarrolla una solución basada en un motor hidráulico, neumático o eléctrico con un eje, provisto con paletas de rotor dentro de un cilindro formado de tubos con ranuras, lo que contribuye a incrementar la velocidad de rotación, en una forma ajustada para que el medio en un contenedor fluya a través de, por ejemplo, liquido, gas o partículas. Además, los tanques de presión aseguran que el sistema puedan operar bajo la mayoría de las condiciones, al mismo tiempo que un sistema conduce a la remoción regular de partículas del tanque de partículas de modo que pueda tomar lugar una recolección práctica de las partículas separadas. La presente invención se relaciona en particular con un separador dinámico de partículas para la separación de partículas en un fluido, gas o ambos, separador el cual comprende un cilindro externo o tanque, que está equipado con una abertura de entrada superior y una abertura de salida superior y una inferior para exportar líquido/gas y partículas, respectivamente, además el - tanque - comprende un eje, equipado con un número de álabes o paletas, las cuales están arregladas para ser accionadas por un motor adjunto. Lo que caracteriza a la invención es que un cilindro interno formado de tubo colocado en el centro está arreglado alrededor del eje con los álabes o paletas, y que el cilindro interno comprende un número de ranuras. Las modalidades preferidas alternativas de la invención se caracterizan porque las numerosas ranuras pueden ser arregladas longitudinalmente y separadas, o con forma espiral/helicoidal , en el cilindro interno formado de tubo. El cilindro de tubo puede ser formado con una forma cilindrica circular y el cilindro puede rodear todo el eje con los álabes o paletas. De manera alternativa, el cilindro interno puede ser conformado en una forma cilindrica circular y el cilindro puede rodear una parte del eje con los álabes o paletas. Se prefiere que la ranura comprenda un labio externo y/o interno. Donde el labio interno puede ser diseñado con una parte de labio que se extienda hacia adentro, y el labio interno y/o el labio externo esté colocado junto a, o integrado con, la ranura. En una modalidad alternativa preferida, el eje comprende en la dirección longitudinal, medios de soporte fijos de forma circular que se extienden hacia fuera, donde los medios de soporte están _arregladoS-„paxa incrementar la velocidad centrifuga de las partículas que van a ser separadas. Los medios de soporte pueden ser arreglados alrededor del eje, y la circunferencia de los medios de soporte es preferiblemente más grande en la parte inferior de los medios que en la parte superior. Además, los medios de soporte pueden ser conformados en forma de una gota, y con los álabes o paletas extendiéndose hacia fuera y arreglados separados, alrededor de o en los medios de soporte .
Puede ser colocada una barrera de gas en la parte inferior del cilindro externo, donde la barrera de gas es arreglada para evitar que una columna de gas sea conducida hacia abajo, hacia la abertura de salida inferior para las partículas. Además, la invención se relaciona con un método para la separación de partículas en un líquido, un gas o ambos, en el cual un flujo de líquido y/o gas y partículas es conducido a un separador de partículas a través de la abertura de entrada y hacia el tanque que comprende un eje con un número de álabes o paletas para la separación dinámica de partículas, tras lo cual las partículas son conducidas hacia fuera a través de una abertura de salida inferior para partículas mientras el líquido y el gas son conducidos continuamente hacia fuera a través de una abertura de salida superior para gas y líquido por medio de una abertura en el labio superior. El flujo de líquido/gas es alimentado de un cilindro interno formado de tubo arreglado en el tanque y que las partículas en el flujo son conducidas hacia fuera a través de un número de ranuras en el cilindro interno formado de tubo hacia el interior de la pared en el tanque, por lo que son conducidas hacia fuera a través de la abertura de salida inferior para partículas, al mismo tiempo que el líquido y/o gas es conducido hacia fuera a través de la abertura de salida superior para gas y líquido por medio de la abertura en el labio superior. Una modalidad alternativa del método se caracteriza porque las partículas que van a ser separadas, además de la influencia de los álabes o paletas, se les proporciona una velocidad centrífuga incrementada con la ayuda de medios de soporte arreglados alrededor del eje.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La invención será ahora explicada mejor con referencia a los dibujos anexos, en los cuales; La Figura 1 muestra un diagrama esquemático del dispositivo de acuerdo a la invención. La Figura 2 muestra una vista correspondiente del dispositivo de acuerdo a la invención observado desde arriba . La Figura 3 muestra un esbozo, parcial de la invención vista desde la parte frontal, desde un lado y desde arriba, respectivamente. La Figura 4 muestra un cilindro interno de acuerdo a la invención. La Figura 5 muestra un labio interno/externo para colocarse sobre el cilindro interno. Las Figura 6 muestra una modalidad alternativa de un eje interno con álabes de acuerdo a la invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCION Como lo muestra la Figura 1, el separador de partículas 10, de acuerdo a la invención, comprende un tanque o cilindro externo 12, una entrada 14 para líquido y gas, que contiene partículas que van a ser separadas, y una salida superior 16, y una salida inferior 18 para exportar líquido/gas y partículas, respectivamente. El separador 10 comprende además un engrane de accionamiento adjunto 20, como un motor, para accionar un eje 22 el cual está arreglado centralmente en la dirección longitudinal del cilindro 12. El engrane de accionamiento 20 (el motor) puede ser conectado directamente al eje 22 o puede ser conectado al eje 22 por medio de un sistema de transmisión de energía (no mostrado) . Un número de paletas o impelentes que se extienden hacia fuera 24 están arreglados alrededor del eje 22. Las Figuras 1 y 2 muestran que los impelentes 24 están arreglados y extendidos hacia fuera y separados en la dirección longitudinal del eje, pero los impelentes también pueden estar arreglados alrededor del eje en forma helicoidal, o en otras formas será mostrado en los dibujos. Además, el cilindro interno formado del tubo 26 está arreglado alrededor del eje con los impelentes 24, donde el cilindro interno formado de tubo 26 es asegurado permanentemente al labio superior 28 y arreglado junto a la parte superior del cilindro 12. Los impelentes 24 contribuyen, de manera secundaria a proporcionar un movimiento centrifugo al liquido/gas en el cilindro externo 12, y principalmente proporcionan un flujo centrifugo de liquido/gas en el cilindro interno 12. Entre la superficie interna del cilindro externo 12 y la superficie externa del cilindro interno 26, se proporciona un espacio anular externo 30 que está arreglado para recibir el flujo de gas/liquido. Además, se proporciona un espacio anular interno en el cilindro interno 26 entre la superficie interna del cilindro interno del eje con los álabes, también arreglado para recibir el flujo de gas/liquido. Una barrera de gas 32 está arreglada junto de la parte inferior del tanque, donde la barrera de gas está arreglada para prevenir que una columna de gas sea conducida hacia abajo, hacia la abertura de salida inferior 18 para partículas. Esta barrera de gas puede ser diseñada con una forma cónica, donde la parte cónica de la barrera está volteada hacia arriba, hacia el tanque. El propósito principal de la barrera de gas 32 o el "sombrero" cónico invertido, en la parte inferior del cilindro 12, es evitar que se cree un flujo turbulento o "vorticial" formado por gas en el centro del flujo giratorio del líquido/partículas a altas velocidades, y que el flujo turbulento sea transmitido hacia abajo, hacia la abertura de salida inferior 18 para partículas en la sección inferior del separador. La abertura entre el sombrero cónico y la pared del cilindro proporciona un estrechamiento que contribuye a que las partículas sean jaladas hacia abajo, hacia la abertura en el fondo, lo cual es un efecto deseado. Se prefiere que la barrera de gas 32 como se mencionó, sea diseñada con una forma cónica, pero la barrera de gas también puede ser formada en otras formas geométricas, como por ejemplo, en forma de placa, en forma de semiesfera, en forma de concha, concha semiesférica invertida, etc. Una parte esencial de la presente invención es el cilindro interno 26 y su forma. El cilindro interno puede ser formado con la forma de tubo cilindrico circular que comprende un reborde o reborde superior 42, donde el reborde superior 42 esté permanentemente fijo al área superior 28. El extremo inferior 24 está preferiblemente abierto, pero puede, si es necesario estar completa o parcialmente cerrado dependiendo del medio de flujo, velocidad de flujo, etc. Arregladas verticalmente en una pared de tubo del cilindro interno 26 se encuentran un número de ranuras pasantes 36, donde las ranuras están arregladas preferiblemente para estar igualmente separadas. Las ranuras se muestran en la Figura 4 arregladas verticalmente en el cilindro 26, pero pueden, por supuesto, ser arregladas en diferentes formas en la pared del tubo en modalidades preferidas alternativas, por ejemplo con una forma helicoidal, las ranuras pueden ser arregladas diagonalmente en la pared del tubo del cilindro 26, ya sea en paralelo o en forma de un abanico. Las ranuras pueden ser formadas con un labio interno y un externo 38a, 38b respectivamente como se muestra en la Figura 2, arreglados para incrementar o alterar, la velocidad del flujo de liquido/gas, dependiendo de la separación de partículas y del tamaño de partículas densidad, viscosidad, etc deseadas del medio que sea suministrado. Las ranuras 36 pueden ser fabricadas integradas en el cilindro interno, tras lo cual se forma y es producido el labio interno y/o el labio externo por la abertura de la ranura. El cilindro interno formado de tubo también puede ser fabricado con aberturas/ranuras únicamente, sobre las cuales se coloca el labio interno y/o el labio externo. La Figura 5 muestra un ejemplo de un labio interno que está colocado sobre el cilindro interno mostrado en la Figura 4. La Figura 4 muestra un número de labios colocados sobre el cilindro interno. De manera principal, el labio externo 38b será formado inversamente proporcional al labio interno 38a, si son usados un labio interno y un labio externo, pero no necesariamente con la misma relación angular con respecto a la pared de tubo del cilindro interno. Para evitar turbulencia dentro del cilindro interno formado de tubo a una velocidad del impelente alta, puede ser ventajoso usar labios en forma de ranura externos montadas sobre ranuras formadas diagonal/helicoidalmente en paralelo, hacia abajo del cilindro interno. El flujo del medio hacia fuera del cilindro interno, a través de las ranuras 36 y hacia fuera del espacio anular entre el cilindro interno y la pared interna del cilindro externo 12 depende del ángulo a. El ángulo a puede ser fijado en un ángulo general adaptado para ajustarse a la mayoría de los medios fluidos que vayan a ser conducidos hacia el separador. Sin embargo, también será posible regular el ángulo a sobre la base de la viscosidad del medio de flujo. Una baja viscosidad normalmente conducirá a un ángulo tangencial más grande en el labio interno o el labio externo en relación a la circunferencia del cilindro interno. La relación angular también es influenciada por la turbulencia en el espacio abierto dentro del extremo del tubo, y también que tan fácil/difícil será para el medio fluir del espacio anular interno al externo. La Figura 6 muestra una modalidad alternativa de la unidad de rotor, es decir el eje con los álabes o paletas. El dibujo muestra el eje montado en el labio superior y también la salida 16 y el arreglo de conexión 44 al engrane de accionamiento. Los medios de soporte 40 están arreglados en el eje 22, entre los álabes 24, de modo que el eje 22 comprende, en la dirección longitudinal, medios de soporte fijos, de forma circular, que se extienden hacia fuera, 40, donde los medios de soporte están arreglados para dar a las partículas que van a ser separadas una velocidad centrífuga incrementada. Como lo muestra el dibujo, los medios de soporte 40 están arreglados alrededor del eje, y además, la parte inferior del cuerpo de soporte tiene una circunferencia mayor que su parte superior. Los medios de soporte 40 cuando son colocados juntos pueden, en una modalidad preferida, ser formados en forma de una gota, y con los álabes o paletas extendiéndose hacia fuera 24 arreglados separados alrededor de los medios de soporte. La forma de los medios de soporte puede variar si es necesario de acuerdo al área de aplicación, es decir el tamaño de partícula de las partículas a ser separadas, la velocidad de flujo, densidad, etc., dado que la forma de gota es alterada. Diferentes formas conducirán a diferentes características de flujo para el medio fluido. Los medios de soporte 40 pueden ser fabricados además integrados con el eje y los álabes, o la instalación de soporte puede ser fabricada en secciones las cuales pueden ser montadas posteriormente entre los álabes y el eje. Finalmente se prefiere que este sea de secciones fáciles de reemplazar con secciones de una forma diferente para partículas. El propósito principal de los medios de soporte es, entre otras cosas, utilizar el principio de gravedad. Forzando el flujo de líquido/gas hacia fuera del centro del eje, las partículas que están en el medio también serán forzadas hacia fuera, esas serán entonces influenciadas por una gravedad mayor a la que estaban en el centro del eje. Después de pasar por los medios de soporte, el flujo del líquido/gas se "deformará" cerca del centro del eje nuevamente. Será más difícil para las partículas no hacer esto debido a la fuerza gravitacional . Pruebas exhaustivas de la invención han demostrado este efecto con esta construcción . La operación del separador ciclónico de acuerdo a la invención es que el líquido/gas entra al ciclón por medio de la abertura de entrada para el líquido y gas. Las partículas más grandes son . separadas con la fuerza centrífuga en el cilindro externo. Las partículas más pequeñas, que no son separadas en el cilindro principal, siguen al flujo de fluido hacia el cilindro interno avanzando hacia la salida en el centro del interior del cilindro. El rotor, el cual puede tener una velocidad rotacional variable o fija, fuerza al fluido y cualesquier partículas más pequeñas restantes tangencialmente hacia afuera a través de las aberturas en forma de ranura, es decir las ranuras en el cilindro interno y hacia fuera hacia el espacio anular externo, donde las partículas, debido al incremento de la velocidad y la fuerza centrífuga, son forzadas hacia fuera hacia la periferia y gradualmente separadas, donde son removidas por medio de la salida. De este modo, el rotor tiene la función de que a velocidades de fluido de pozo bajas proporciona una velocidad rotacional alta del fluido en el ciclón, lo que hace posible separar las partículas en un proceso de separación de dos pasos, independientemente de la velocidad del fluido suministrado. La solución ciclónica presente, toma su energía rotacional del motor. Esto conduce a que el flujo de fluido sea, en un grado muy pequeño sometido a una carga de presión. El ciclón puede ser aproximadamente neutro, a lo largo de la presión por medio de una elección adecuada de la velocidad de rotación. Este ciclón "dinámico" de acuerdo a la invención tiene que mostrar en la operación real que es muy efectivo en la separación de partículas hasta de aproximadamente 30 micrómetros, al mismo tiempo que la presión de goteo sea reducida a 0.1-1 bares.