SEPARADOR CICLÔNICO DE SUSPENSÃO GÁ~-<?ouiuO E MÉTODO
DE SEPARAÇÃOCAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção encontra seu campo de aplicação dentre osequipamentos e métodos para separar partículas sólidas de suspensõesi gás-sólido, mais particularmente dentre os separadores ciclônicos, ondese fornece uma componente de força tangencial à suspensão gás-sólido.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Separadores ciclônicos em diferentes formas construtivas sãoutilizados em inúmeros equipamentos para separar impurezas contidas emfluidos gasosos, tais como partículas sólidas ou poeira, gotículas delíquidos ou material semelhante.
Separadores ciclônicos são amplamente usados para separação eremoção de partículas do ar ou de gases de processos. São utilizadostambém como reator químico, trocador de calor, para secagem de/ materiais granulares e combustão de óleo. Em refinarias de petróleo, sãoutilizados para assegurar a continuidade do processo para obtenção deprodutos, retendo catalisador e impedindo sua emissão para a atmosfera,evitando a perda e o efeito poluente. A grande aplicabilidade dos separadores ciclônicos deve-se ao seu baixo custo de operação e fácilmanutenção, como também à possibilidade de suportar severas condiçõesde temperatura e pressão.
Os separadores ciclônicos podem ser empregados em diversosarranjos, em série ou em paralelo. Em alguns processos, a totalidade do fluido gasoso produzido, que a partir daqui será chamado de suspensãogás-sólido, passa pelo separador. Em outros processos, os separadoresciclônicos podem ser utilizados como parte do sistema de limpeza degases de exaustão.
As partículas são separadas por um processo de centrifugação dasuspensão gás-sólido. Este fenômeno ocorre com a indução de um fluxovorticial no interior do separador ciclônico devido à significativacomponente de força tangencial com a qual a suspensão entra na câmaraciclônica, que geralmente é de formato cônico. Sendo de maior densidadeque os gases, as partículas sólidas tem maior tendência em permanecerna tragetória perpendicular ao fluxo vorticial, devido à força centrífuga, eassim colidir com as paredes da câmara. Com as colisões, as partículasperdem velocidade e tendem a se separar do fluxo, caindo em direção aofundo da câmara, de onde são retiradas. O gás separado sai pelo tubo desaída do ciclone, após percorrer algumas voltas pela câmara e uma curvade ângulo acentuado em direção ao tubo na parte superior.
Os separadores ciclônicos de suspensão gás-sólido são geralmentedo tipo fluxo reverso, que são os mais tradicionais para este tipo deseparação. Entretanto, ciclones de fluxo unidirecional são tambémutilizados, principalmente em aplicações onde é baixa a concentração desólidos na suspensão.
Nos ciclones de fluxo reverso, o tubo de saída do gás, usualmentechamado de vórtex ou finder, é fixo e localizado na parte superior dociclone. Durante a operação existe a necessidade da total reversão dofluxo vorticial do gás para que o mesmo seja aspirado pelo tubo de saída.
Nos ciclones de fluxo unidirecional, também conhecido pelo termoem inglês "uniflow", o tubo de saída do gás é localizado na parte inferiordo ciclone, não existindo portanto a necessidade de reversão do fluxovorticial.
Nestas duas configurações, o separador ciclônico compreendeapenas uma zona de separação, sendo que o separador de fluxounidirecional possui um comprimento da zona de separação inferior ao deum separador com fluxo reverso, sendo esta a razão pela qual o separadorde fluxo unidirecional ser eficiente apenas em suspensões gás-sólido combaixas concentrações de sólido.
Embora a zona de separação do separador de fluxo reverso sejamaior, é conhecido que a zona de reversão de fluxo é a região na qualocorre maior perda de eficiência de coleta do separador ciclônico.
A instabilidade existente no ápice de reversão de fluxo resulta emdeslocamentos laterais do fluxo vorticial, causando arraste de sólidospreviamente separados e erosão nas paredes do separador ciclônico.
A patente US 4,238,210 revela um separador ciclônico unidirecionalque compreende um duto interno, que forma um caminho de fluxo, comum corpo central provido de hélices geradoras de fluxo vorticialexternamente estendidas. O duto é envolvido por uma câmara coletora eas hélices possuem extremidades coletoras e canais que se abrematravés da parede do duto para o interior da câmara coletora. A jusantedas hélices geradoras de fluxo vorticial encontram-se fendas de saídatransversais em relação ao fluxo de gás.
Assim como nos demais separadores ciclônicos unidirecionais, esteequipamento é eficiente apenas para suspensões com baixa concentraçãode sólidos.
O dispositivo e o método descritos a seguir são uma alternativa queapresenta vantagens para a separação de suspensões gás-sólido emrelação aos dispositivos e métodos conhecidos na técnica para baixas ealtas concentrações.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção trata de um separador ciclônico parasuspensão gás-sólido e método de separação onde o separador contémduas zonas de separação em seqüência, uma com fluxo reverso, na qualparte do gás da suspensão gás-sólido com alta concentração de sólido éseparado, e uma zona de separação de fluxo unidirecional, subseqüente,na qual a outra parte do gás da suspensão, com baixa concentração desólido, é separada.
O separador ciclônico compreende uma câmara (1) de separação degases e sólidos, substancialmente cônica, com:i. uma entrada (11a) para admitir a suspensão gás-sólido em suaparte superior;
ii. uma saída (12) axial, em sua parte inferior para retirada dos sólidosseparados,
iii. um tubo (2) de saída de uma fração dos gases separados, fixadoaxialmente na parte superior da câmara (1), com um prolongamentono interior da câmara, sendo dimensionado para aspirar a fração degás com maior concentração de sólidos e gerar uma zona deseparação de fluxo reverso no interior da câmara;
iv. um tubo (3) de saída de uma fração dos gases separados, fixadoaxialmente na parte inferior da câmara (1), passando pelo interior dasaída (12) e com um prolongamento no interior da câmara de modoa criar um espaço anular (13) para a retirada de sólidos, sendodimensionado para aspirar a fração de gás contendo menor concentração de sólidos de fluxo unidirecional e gerar uma zona de
separação com fluxo unidirecional no interior da câmara.Em uma concretização preferida, a entrada (11a) é simetricamenteposicionada a pelo menos uma entrada (11 b).
O Método de separação gás-sólido utilizando o separador, acima descrito compreende as seguintes etapas:
i. Admitir a suspensão gás-sólido no interior da câmara (1) pormeio da entrada (11a), fornecendo à suspensão umacomponente de força tangencial de modo a separar a suspensão;
ii. Aspirar o gás separado, na zona de separação com fluxo reversopor meio do tubo (2), e na zona de separação com fluxo
unidirecional por meio do tubo (3);
iii. Retirar pelo espaço anular (13) as partículas sólidas separadasque escoam por ação da gravidade pelas paredes da câmara (1).
Quando a entrada (11a) for simetricamente posicionada à pelo menos uma entrada (11 b), o método de separação compreende admitir asuspensão gás-sólido no interior da câmara (1) por meio da entrada (11a)e da pelo menos uma entrada (11b) simultaneamente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As características do separador ciclônico de suspensão gás- sólido emétodo de separação, objeto da presente invenção serão melhorpercebidas a partir da descrição detalhada, associada aos desenhosabaixo referenciados, os quais são parte integrante do presente relatório.
A FIGURA 1A apresenta uma representação em perspectiva doseparador ciclônico para suspensão gás sólido em uma configuração comuma entrada.
A FIGURA 1B apresenta uma representação em perspectiva comcorte do separador ciclônico para suspensão gás-sólido em umaconfiguração com uma entrada.
A FIGURA 2A apresenta uma representação em perspectiva doseparador ciclônico para suspensão gás sólido em uma configuração comduas entradas.
A FIGURA 2B apresenta uma representação em perspectiva comcorte do separador ciclônico para suspensão gás-sólido em umaconfiguração com duas entradas.
A FIGURA 3A apresenta uma representação em vista frontal comcorte do separador ciclônico para suspensão gás-sólido, em umaconfiguração com duas entradas.
A FIGURA 3B apresenta uma representação em vista superior doseparador ciclônico para suspensão gás sólido em uma configuração comduas entradas.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção trata de um separador ciclônico parasuspensão gás-sólido e método de separação em uma configuração ondeo separador contém duas zonas de separação em seqüência, uma comfluxo reverso, na qual parte do gás da suspensão gás-sólido com altaconcentração de sólido é separado, e uma zona de separação de fluxounidirecional, subseqüente, na qual a outra parte do gás da suspensão,com baixa concentração de sólido, é separada.
Afigura 1B apresenta uma representação em perspectiva com corte de uma possível concretização para o separador ciclônico, quecompreende uma câmara (1) de separação de gases e sólidos,substancialmente cônica, com:
i. uma entrada (11a) para admitir a suspensão gás-sólido em suaparte superior;
ii. uma saída (12) axial, em sua parte inferior para retirada dos sólidosseparados;
iii. um tubo (2) de saída de uma fração dos gases separados, fixadoaxialmente na parte superior da câmara (1), com um prolongamentono interior da câmara, sendo dimensionado para aspirar a fração degás com maior concentração de sólidos e gerar uma zona de
separação de fluxo reverso no interior da câmara;
iv. um tubo (3) de saída de uma fração dos gases separados, fixadoaxialmente na parte inferior da câmara (1), passando pelo interior dasaída (12) e com um prolongamento no interior da câmara de modo a criar um espaço anular (13) para a retirada de sólidos, sendo
dimensionado para aspirar a fração de gás contendo menorconcentração de sólidos de fluxo unidirecional e gerar uma zona deseparação com fluxo unidirecional no interior da câmara.A entrada (11a) do separador ciclônico pode ser tangencial, axial ouem voluta.
A figura 2B apresenta uma perspectiva da concretização preferidapara o separador ciclônico, onde a entrada (11a) é simetricamenteposicionada a pelo menos uma entrada (11b). Neste caso, a entrada (11a)e a pelo menos uma entrada (11b) podem ser tangenciais, axiais, emvoluta ou uma combinação de entradas tangenciais, axiais ou em voluta.O tubo (2) e o tubo (3) possuem área de secção transversal variandoentre 30% e 50% em relação à área de secção transversal da entrada(11a). Esta condição se viabiliza pelo fato do separador ciclônico possuirdois tubos de saída.
Esta característica permite que o comprimento da linha de separação(L.S.), que é a distância entre a parede da câmara ciclônica (1) e o tubo(2) de saída, seja maior, resultando em maior espaço percorrido pelo gáspara chegar ao tubo (2) de saída, o que resulta em maior eficiência deseparação ou coleta de sólidos.
A zona de separação com fluxo unidirecional reduz substancialmente aerosão causada pelo fluxo vorticial ao eliminar a reversão do fluxo nestaregião.
O Método de separação gás-sólido utilizando o separador, acimadescrito compreende as seguintes etapas:
i. Admitir a suspensão gás-sólido no interior da câmara (1) por meioda entrada (11a), fornecendo à suspensão uma componente deforça tangencial de modo a separar a suspensão;
ii. Aspirar o gás separado, na zona de separação com fluxo reversopor meio do tubo (2), e na zona de separação com fluxounidirecional por meio do tubo (3);
iii. Retirar pelo espaço anular (13) as partículas sólidas separadas queescoam por ação da gravidade pelas paredes da câmara (1).
Quando a entrada (11a) for simetricamente posicionada à pelomenos uma entrada (11b), o método de separação compreende admitir asuspensão gás-sólido no interior da câmara (1) por meio da entrada (11a)e da pelo menos uma entrada (11b) simultaneamente.
A aspiração de parte do gás por cada tubo de saída conserva acomponente de força tangencial, que realiza a separação das partículassólidas, em valores maiores ao longo do separador ciclônico, o quepossibilita maior eficiência na separação.A reversão do fluxo vorticial ocorre na região central do separador,que se encontra distante de das paredes, o que proporciona a redução doarraste pelo gás de partículas sólidas já separadas.
Esta configuração apresenta as seguintes vantagens em relação aos separadores do estado da técnica:
i. Redução substancial da erosão na região inferior do separador,causada pelo fluxo vorticial;
ii. Manutenção da eficiência de separação ao longo de todo o caminhopercorrido pela suspensão gás-sólido;
iii. Redução do arraste, pelo gás, de material sólido já separado.
A descrição que se fez até aqui do separador ciclônico desuspensão gás-sólido e método de separação, objeto da presenteinvenção, deve ser considerada apenas como uma possível concretização,e quaisquer características particulares devem ser entendidas como algoque foi descrito para facilitar a compreensão. Desta forma, não podem serconsideradas limitantes da invenção, a qual está limitada apenas aoescopo das reivindicações que seguem.