PT734751E - Separador de ciclone tendo um elemento de coalescencia nele incorporado - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "SEPARADOR DE CICLONE TENDO UM ELEMENTO DE COALESCÊNCIA NELE INCORPORADO"

O presente invento diz respeito a um separador de ciclone tendo um elemento de coalescência nele incorporado, e mais particularmente a um tal separador tendo um elemento de coalescência próprio para constituir uma etapa de pré-tratamento a montante, assim como a um conjunto compreendendo uma pluralidade de tais separadores.

Os separadores de ciclone, mais vulgarmente conhecidos pela

designação de hidrociclones, são geralmente destinados a separar duas fases não-miscíveis, de densidades diferentes uma da outra. Neste tipo de separador, a mistura das duas fases a separar é injectada a grande velocidade no interior de uma câmara que é geralmente cilíndrica, de maneira que a mistura vai avançar no interior da câmara com um movimento giratório. As forças centrífugas que são geradas por esse movimento giratório e que actuam sobre a mistura das duas fases de densidades diferentes, vão provocar a migração da fase mais densa em direcção à parede da câmara, indo a fase menos densa ficar no interior da câmara. As duas fases podem ser separadas se for promovida a existência de duas saídas axiais para as duas fases, uma na parede da câmara e a outra ao longo do eixo da câmara, e se for utilizado um sistema de contrapressão. Este princípio de funcionamento é particularmente adequado para separar uma emulsão de óleo/água nos seus dois componentes. A saída axial deste tipo de separador compreende geralmente uma parte tubular de pequeno grau de conicidade que se encontra ligada à câmara cilíndrica por meio de uma parte cónica. No documento /

/ US-A-4.749.490 encontra-se descrito um separador de ciclone de duas fases deste tipo. São igualmente conhecidos separadores de ciclone de três fases próprios para separar uma fase sólida, por exemplo areia, que se encontra em suspensão numa emulsão composta, por exemplo óleo e água. No documento US-A-5.332.500 encontra-se descrito um separador de três fases deste tipo. Os ciclones de três fases têm em comum com os separadores de duas fases uma saída para uma das fases líquidas que compreende uma parte tubular alongada de pequeno grau de conicidade.

Uma aplicação principal dos separadores de ciclone é o tratamento das águas que saem dos poços de produção de petróleo e/ou de gás. Tipicamente, os separadores de ciclone são utilizados em plataformas marítimas de produção de petróleo para tratar a mistura óleo/água/areia que é separada dos fluidos de produção, a fim de se limpar a água antes de se proceder à sua evacuação ou à sua reinjecção. O espaço disponível numa plataforma de produção é muito limitado. Vários separadores de ciclone são geralmente instalados lado a lado numa unidade de tratamento situada na plataforma. Entretanto, a forma das partes cónicas anteriormente descritas, e a das partes tubulares de pequeno grau de conicidade, significa que existe uma considerável quantidade de espaço perdido na unidade de tratamento entre os diferentes separadores. Além disso, a fim de se aumentar o rendimento do separador, é desejável prever a existência de uma etapa de pré-tratamento, a montante do separador, para a mistura a tratar. No caso de uma emulsão óleo/água, essa etapa de pré-tratamento compreende vantajosamente um elemento de coalescência destinado a transformar as gotas microscópicas de óleo contidas na emulsão em gotas mais volumosas que podem ser separadas mais facilmente no ciclone. Entretanto, no caso da unidade de tratamento dever ser instalada numa plataforma de produção, esses dispositivos -3-

/ / ν' de coalescência não podem ser utilizados por causa da falta de espaço disponível.

No documento US-A-4.116.790 são divulgados separadores de ciclone que compreendem ainda uns dispositivos de coalescência electrostáticos. Os eléctrodos podem ser dispostos na entrada tangencial (Figs. 1-3) ou em tomo de todo o ciclone (Figs. 4a, 4b). A parede de uma câmara cilíndrica no interior da qual fica situado o ciclone, a parte cónica do ciclone, assim como um elemento cónico colocado em tomo do tubular de saída podem constituir dos eléctrodos.

Por conseguinte, o objectivo do presente invento consiste em propor um separador de ciclone tendo a montante um elemento de coalescência próprio para efectuar o pré-tratamento da emulsão a separar, mas que são mais compactos do que os dispositivos propostos anteriormente e que portanto reduzem o espaço perdido, assim como um conjunto compreendendo uma pluralidade de tais separadores.

Segundo um primeiro aspecto do invento, é proposto um separador de ciclone tal como definido na reivindicação 1, sendo nas reivindicações 2-4 definidos modos particulares de realização.

De acordo com um segundo aspecto do invento, é proposto um conjunto de separadores de ciclone tal como definido na reivindicação 5, sendo nas reivindicações 6-10 definidos modos particulares de realização. O presente invento irá ser em seguida descrito apenas a título de exemplo com referência aos desenhos anexos, em que: a Figura 1 é uma vista esquemática e em corte transversal de um separador de ciclone tendo um elemento de coalescência nele incorporado, de -4-

acordo com uma primeira variante do invento; as Figuras 2 e 3 são vistas esquemáticas e em corte transversal de separadores de acordo com uma segunda e uma terceira variantes do invento; as Figuras 2a e 3a são vistas de pormenor de partes dos separadores das Figuras 2 e 3, respectivamente; e a Figura 4 é uma vista esquemática e em corte transversal de um conjunto de separadores de ciclone de acordo com uma outra variante do. invento. A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um separador de ciclone de três fases que compreende um corpo 10 constituído por uma parte cilíndrica 12 e por uma parte cónica 14. A parte cónica 14 acha-se dotada, na zona do vértice do cone, de um troço final cilíndrico 16 no interior do qual se encontra disposta uma saída tubular 18, encontrando-se o troço cilíndrico e a saída tubular situados coaxialmente à parte cilíndrica 12. O corpo 10 é fechado por um elemento anular 20 que compreende uma ou várias entradas 22 para a emulsão a tratar no ciclone. A entrada é disposta tangencialmente em relação à parte cilíndrica 12. Na abertura do elemento anular é montado de forma estanque um elemento geralmente tubular 26 que compreende uma parte de pequeno grau de conicidade 28 e um prolongamento cilíndrico 30.

Uma emulsão óleo/água contendo uma matéria sólida em suspensão entra sob pressão no interior do corpo através da entrada 22 no sentido da seta 32, indo desse modo seguir uma trajectória tangencial ao corpo 10. A emulsão escoa-se a grande velocidade com um movimento giratório no interior da parte -5-

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cilíndrica 12. Sob o efeito da força centrífuga assim gerada, a matéria sólida em suspensão vai migrar em direcção às paredes da parte cilíndrica 12 e da parte cónica 14 e é evacuada através do troço final 16, na direcção e sentido indicados pela seta 34. A configuração cónica da parte 14 vai fazer com que a emulsão óleo/água, do seio da qual já foi retirada a matéria sólida, vá ser obrigada a alterar a sua direcção longitudinal de escoamento e a passar para o elemento tubular 26 continuando a escoar-se com um movimento giratório. As duas fases da emulsão separam-se durante a sua passagem ao longo da parte de pequeno grau de conicidade 28, indo a água ficar situada junto à parede das partes 28 e 30, ao passo que o óleo se desloca em direcção ao eixo destas. Sobre o escoamento do óleo vai exercer-se uma contrapressão provocada por uma restrição formada na extremidade do prolongamento cilíndrico 30 (não representada), contrapressão essa que vai vá inverter o sentido do escoamento. Irá então formar-se uma corrente de escoamento de óleo cujo sentido de escoamento é inverso ao da corrente de escoamento da água, indo o óleo sair do separador através da saída 18 no sentido da seta 36 e indo a água purificada sair do prolongamento tubular 30 na direcção e sentido indicados pela seta 38.

Segundo o primeiro aspecto do invento, em tomo do elemento tubular 20, substancialmente ao longo de todo o comprimento deste e montado directamente no próprio elemento tubular 20, é disposto um elemento de coalescência, quer dizer, uns meios de coalescência 40. No exemplo mostrado, o elemento de coalescência é do tipo escova e são compostos por um grande número de pêlos, feitos de material oleófilo, que se projectam geralmente de uma maneira radial a partir da parede exterior do elemento tubular 20. De preferência, o material oleófilo utilizado é um material plástico como por exemplo poliamida ou polipropileno. Em tomo do elemento de coalescência encontra-se situada uma manga cilíndrica 42 que juntamente com o elemento tubular 20 vai definir uma câmara de coalescência 44. O prolongamento cilíndrico 30 projecta-se através de uma parede de extremidade 46 da manga cilíndrica 42. A manga cilíndrica 42 compreende uma entrada 48 e uma saída 50 que comunica directamente com a entrada 22 do separador de ciclone. A manga cilíndrica pode ser formada pelas paredes do recipiente no interior do qual se encontra contido o separador de ciclone.

Em funcionamento, a emulsão a tratar é injectada na entrada 48 da câmara de coalescência 44 no interior da qual ela vai avançar ao longo do comprimento do elemento tubular 26, entrando em contacto com as escovas oleófílas do elemento de coalescência 40, antes de sair da câmara através da saída 50. Durante a passagem da emulsão através da câmara de coalescência 44, o contacto entre a emulsão e as escovas oleófílas vai fazer com que as gotas microscópicas de óleo contidas no seio da emulsão vão coalescer e formar gotas cujo diâmetro médio aumentou de uma maneira considerável. Estas gotas vão manter-se em suspensão no seio da emulsão quando esta sai da câmara de coalescência 44 através da saída 50. A emulsão pré-tratada, contendo gotas de óleo aumentadas, irá então ser injectada no separador de ciclone através da entrada 22, a partir da qual ela vai seguir o caminho aqui anteriormente descrito. No entanto, dado que o diâmetro médio das gotas de óleo é significativamente maior que numa emulsão não tratada, o rendimento do ciclone é consideravelmente aumentado, sendo a percentagem de óleo retirado da emulsão aumentado em aproximadamente 5 a 20% em função das características da emulsão que entra.

Na Figura 2 encontra-se representada uma segunda variante de um separador de ciclone de acordo com o primeiro aspecto do invento na qual, por

I I / y -/ , „ -ν·, razões de facilidade de fabrico e de manutenção, o elemento de coalescência é constituído sob a forma de um subconjunto separado que pode ser montado num ciclone já existente. Na variante apresentada, um separador de ciclone 60, que no exemplo ilustrado é um ciclone de duas fases, possui um conjunto de elementos de coalescência, quer dizer, de meios de coalescência 64, disposto em tomo do elemento tubular 62, que compreende uma manga geralmente tubular 66 cujas dimensões interiores correspondem exactamente às dimensões exteriores do elemento tubular 62 e da parte cónica 68, encontrando-se os meios de coalescência montados na manga. A manga tubular 66 encontra-se mais claramente representada na Figura 2a. O funcionamento do ciclone e da etapa de pré-tratamento a montante constituída pelo elemento de coalescência é semelhante ao da variante da Figura 1.

Nas Figuras 3 e 3a encontra-se representada uma outra variante de ciclone, que difere da das Figuras 2 e 2a devido ao facto de que a manga tubular na qual se acha montado o elemento de coalescência de escova tem uma secção transversal cilíndrica constante. Conforme se acha representado nas figuras, uma manga tubular 70, de secção transversal constante, está montado no separador de ciclone 72 entre a parte cónica 74 e um injector 76 situado na extremidade do elemento tubular 78. O funcionamento do ciclone e do elemento de coalescência de pré-tratamento a montante é semelhante ao das variantes das Figuras 1 e 2, sendo o elemento tubular e o elemento de coalescência inseridos numa manga tubular (não representada), como no caso do dispositivo da Figura 1.

Na Figura 4 encontra-se representada uma variante de acordo com o segundo aspecto do invento, que difere das que foram descritas anteriormente devido ao facto de que vários separadores de ciclone, com os respectivos elementos de coalescência associados, se encontram dispostos no interior de uma câmara comum contendo a emulsão a tratar.

Conforme se acha representado na Figura 4, um conjunto de separadores, designado de uma maneira geral pelo número de referência 80, é dividido em câmaras 82, 84, 86, 88, cada uma delas separada da câmara vizinha por uma parede de separação. A câmara principal ou de alimentação 82 contém vários separadores de ciclone, três no exemplo ilustrado, dispostos lado a lado. Na superfície exterior da parte tubular 92 de cada separador 90, e na do. Na superfície exterior do corpo 94 de cada separador, são montados uns elementos de coalescência de escova 96. Os elementos de coalescência, quer dizer, os meios de coalescência 96, podem ser montados directamente nos separadores de ciclone ou montados numas mangas tubulares, conforme representado. A câmara de alimentação 82 compreende uma entrada 100 para a emulsão a tratar. A emulsão entra na câmara 82, passa sobre a através dos elementos de coalescência de escova, e entra nas entradas 102 dos separadores de ciclone 90. Após o tratamento nos separadores 90, a areia passa através das saídas 104 para o interior da câmara de areia 84 da qual sai através da saída 106; o óleo sai dos separadores 90 através das saídas 108 que desembocam no interior da câmara de óleo 86 da qual sai através da saída 110; e a água limpa sai das partes tubulares 92 e passa para dentro da câmara de água limpa da qual sai através da saída 112.

Durante a sua passagem através da câmara de alimentação 82, a emulsão, que se desloca de uma maneira relativamente lenta, vai entrar em contacto com um grande número de pêlos dos elementos de coalescência de escova 96 fazendo com que as gotas de óleo contidas na emulsão vão coalescer e formar gotas de maiores dimensões cujo diâmetro médio é significativamente maior.

Ao assegurar que o óleo contido na emulsão a tratar é pelo menos -9- parcialmente separado da emulsão e é constituído por gotas tendo um maior diâmetro médio, antes da sua entrada no ciclone, cada uma das variantes do presente invento aqui anteriormente descrito melhora consideravelmente o rendimento do separador de ciclone sem aumentar o volume total da unidade de separador.

Lisboa, 15 de Novembro de 2001

LUI5 SILVA CARVALHO Agente Oficial da Propriedade Industrial RUA ViCTOR CORDON, 14 1200 USBOA

Claims (10)

1. ] / <1, Λ·^ {/uu/i 1- l REIVINDICAÇÕES 1. Separador de ciclone compreendendo um corpo (10) constituído por uma parte cilíndrica (12) e por uma parte convergente substancialmente cónica (14), por pelo menos uma entrada (22) montada tangencialmente na parte cilíndrica (12) e por um elemento substancialmente tubular (26; 62; 78) coaxial à parte cilíndrica (12) do corpo, montado no corpo e em comunicação hidráulica com este, compreendendo ainda uns meios de coalescência (40; 64) que se encontram dispostos em tomo do elemento tubular e através dos quais o líquido a separar irá passar antes de entrar no ciclone, encontrando-se os referidos meios de coalescência montados directamente no elemento tubular ou numa manga tubular (66; 70) montada no elemento tubular.
2. 2. Separador de ciclone, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos meios de coalescência serem do tipo escova.
3. 3. Separador de ciclone, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os referidos meios de coalescência compreenderem uma pluralidade de pêlos formados por material oleófilo.
4. 4. Separador de ciclone, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender ainda uns meios de coalescência dispostos em tomo do seu corpo (10).
5. 5. Conjunto de separadores compreendendo uma pluralidade de separadores de ciclone, compreendendo cada um dos referidos separadores de ciclone um corpo (94) constituído por uma parte cilíndrica e por uma parte convergente substancialmente cónica, por pelo menos uma entrada (102) montada -2- i Λ J tangencialmente na parte cilíndrica e por um elemento substancialmente tubular (92) coaxial à parte cilíndrica do corpo, montado no corpo e em comunicação hidráulica com este, compreendendo ainda cada um dos referidos separadores de ciclone uns meios de coalescência (96) que se encontram dispostos em tomo do elemento tubular e através dos quais o líquido a separar irá passar antes de entrar no ciclone, encontrando-se os referidos separadores dispostos no interior de uma câmara comum (82) que é própria para receber uma emulsão destinada a ser tratada e que comunica directamente com as entradas (102) dos separadores.
6. 6. Conjunto de separadores, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os meios de coalescência serem do tipo escova.
7. 7. Conjunto de separadores, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por os meios de coalescência compreenderem uma pluralidade de pêlos formados por material oleófilo.
8. 8. Conjunto de separadores, de acordo com a reivindicação 5, 6 ou 7, caracterizado por os referidos meios de coalescência serem montados directamente nos elementos tubulares.
9. 9. Conjunto de separadores, de acordo com a reivindicação 5, 6 ou 7, caracterizado por cada um dos meios de coalescência compreender uma manga tubular montada no elemento tubular.
10. 10. Conjunto de separadores, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5-9, caracterizado por cada um dos referidos separadores de ciclone compreender ainda os meios de coalescência dispostos em tomo do seu -3-corpo (94). Lisboa, 15 de Novembro de 2001 LUIS SILVA CARVALHO Agente Oficial da Propriedade industrial RUA V1CTOR CORDON, 14 1200 LISBOA