BRPI0810097B1

BRPI0810097B1 - Aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos e método de separação de uma mistura de fluidos

Info

Publication number: BRPI0810097B1
Application number: BRPI0810097-7A
Authority: BR
Inventors: Michael Howdeshell; Edward J. Godeaux; Asadollah Hayatdavoudi; Curtis D. Cooley
Original assignee: Siemens Industry, Inc.
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2019-02-26
Also published as: WO2008123973A1; EP2136897B1; CN101678247B; BRPI0810097A8; KR20100016131A; SG179450A1; US20100187186A1; EP2136897A4; EP2136897A1; US8715512B2; ES2575910T3; CN101678247A; BRPI0810097A2; MX2009010711A

Abstract

"aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos e método de separação de uma mistura de fluidos". a presente invenção refere-se a um aparelho e a um método destinados à separação de componentes de uma mistura de fluidos. o aparelho inclui uma zona de geração de vórtice (114) conformada como um cone truncado inverso, uma zona de coleta de sólidos (130), uma zona de separação (116), uma ou mais entradas para fluidos (126), uma ou mais entradas para gases (122, 124), uma ou mais saídas para fluidos (120), e uma ou mais saídas para gases (136). introduz-se gás no fluido na zona de separação de vórtice (116) com a finalidade de facilitar a separação dos componentes da mistura de fluidos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para APARELHO

DESTINADO À SEPARAÇÃO DE UMA MISTURA DE FLUIDOS E MÉTODO DE SEPARAÇÃO DE UMA MISTURA DE FLUIDOS.

Pedidos Relacionados

O presente pedido reivindica a prioridade nos termos do Título 35 do Código dos Estados Unidos § 119(e) para o Pedido Provisório Número de Série U.S. 60/909.769, intitulado SEPARATION OF HYDROCARBON FROM AN AQUEOUS ENVIRONMENT, depositado em 03 de abril de 2007, cuja descrição está aqui incorporada em sua totalidade a título de referência. Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a sistemas e métodos destinados à separação de componentes em uma mistura de fluidos e, em particular, a sistemas e métodos destinados à separação de fluidos que apresentam densidades diferentes. Discussão da Técnica Relacionada

Há um desejo reconhecido entre várias indústrias, incluindo, por exemplo, indústrias de petróleo e gás, indústrias de processamento de alimentos, indústrias de transporte marítimo, e indústrias de geração de energia, por purificar ou remediar a água gerada em usinas de processamento ou em outras instalações utilizadas nessas indústrias. A água de processo, geralmente contendo contaminantes que incluem hidrocarbonetos, tal como petróleo, assim como outros contaminantes e sólidos suspensos, consiste em um subproduto comum de operações nessas indústrias. Em particular, a produção de poços de petróleo e gás e o refinamento desses fluidos produzem água servida contaminada com hidrocarbonetos.

Tipicamente, utiliza-se uma série de dispositivos e sistemas para facilitar a recuperação da água a partir de água servida contaminada através da separação do petróleo e da água na água servida. Esses dispositivos incluem hidrociclones, aparelhos de separação por gravidade, sistemas de flotação por ar/gás, e sistemas escumadores de petróleo/gás.

Sumário da Invenção

De acordo com uma ou mais modalidades, a presente invenção se refere, em geral, a sistemas e métodos destinados à separação de componentes de uma mistura de fluidos, tal como petróleo e contaminantes sólidos a partir da água. De acordo com uma modalidade da presente invenção, um aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos compreende um tanque, uma zona de geração de vórtice dotada de uma parede afunilada posicionada no interior do tanque, e uma entrada para fluidos estendendo-se ao longo da zona de geração de vórtice em um ângulo tendo de um componente tangencial em relação a uma parede interna da zona de geração de vórtice em um ponto na parede interna próximo à entrada para fluidos. O aparelho compreende, ainda, uma entrada para gases estendendo-se ao longo da zona de geração de vórtice, e uma saída para fluidos conectada, de maneira fluida, ao tanque.

De acordo com outra modalidade da presente invenção, um aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos compreende um tanque, uma zona de geração de vórtice dotada de uma parede afunilada posicionada no interior do tanque e uma zona de separação em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice posicionada no interior do tanque externo à zona de geração de vórtice. O aparelho compreende, também, uma entrada para gases em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice, e uma saída para fluidos em comunicação fluídica com a zona de separação.

Outro aspecto da presente invenção refere-se a um método de separação de uma mistura de fluidos. O método compreende proporcionar uma mistura de fluidos que compreenda um primeiro componente e um segundo componente, sendo que o primeiro componente tem uma densidade diferente da densidade do segundo componente, e introduzir a mistura de fluidos em uma zona de geração de vórtice que compreenda uma parede afunilada posicionada no interior de um tanque. O método compreende, ainda, induzir o fluxo ascendente da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice, conferir um momento giratório confinado ao primeiro componente e ao segundo componente na zona de geração de vórtice, e introduzir gás na zona de geração de vórtice. O método compreende, também, liberar o mo mento rotacional confinado da mistura de fluidos de modo a formar uma primeira zona que compreende uma mistura de fluidos rica no primeiro componente e uma segunda zona que compreende uma mistura de fluidos rica em segundo componente, e descarregar ao menos uma porção da mistura de fluidos rica no primeiro componente a partir de uma primeira saída para fluidos do tanque.

Outras vantagens, características inusitadas e objetivos da presente invenção tornar-se-ão aparentes a partir da descrição detalhada a seguir da invenção quando considerada em conjunção com os desenhos. Breve Descrição dos Desenhos

Os desenhos em anexo não são concebidos em escala. Nos desenhos, cada componente idêntico ou quase idêntico que seja ilustrado nas diversas figuras é representado por uma referência numérica similar. Por propósitos de clareza, nem todos os componentes podem ser rotulados em todos os desenhos. Descrever-se-ão as modalidades não-limitadoras preferenciais da presente invenção com referência aos desenhos em anexo, em que:

A figura 1 é uma vista lateral em corte transversal de um aparelho de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 2 é um gráfico da velocidade rotacional do fluido versus a parede afunilada em um tanque de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 3 é uma vista lateral em corte transversal de um aparelho de acordo com outra modalidade da presente invenção;

A figura 4 é uma vista lateral em corte transversal de um aparelho de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção;

A figura 5 é uma vista em corte transversal de cima ao longo da linha 5-5 da figura 4 de um aparelho de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 6 é uma vista em corte transversal parcial de um aparelho de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção;

A figura 7 é um diagrama esquemático que ilustra um sistema computacional no qual uma ou mais modalidades da invenção podem ser praticadas;

A figura 8 é uma ilustração esquemática de um sistema de armazenamento que pode ser usado junto ao programa computacional da figura 7 de acordo com uma ou mais more modalidades da invenção;

A figura 9 é uma vista em corte transversal parcial de um aparelho de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 10 é um gráfico de superfície da eficácia percentual versus o fluxo de bomba de acordo com uma modalidade da presente invenção; e

A figura 11 é um gráfico de contorno da eficácia percentual versus o fluxo de bomba de acordo com uma modalidade da presente invenção. Descrição Detalhada

A presente invenção não se limita a sua aplicação aos detalhes de construção e à disposição dos componentes apresentados na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos. A presente invenção é capaz de realizar outras modalidades e ser praticada ou realizada de várias maneiras. Da mesma forma, a fraseologia e terminologia utilizadas no presente documento servem para propósitos descritivos e não devem ser consideradas como limitadoras. No presente documento, o uso dos termos incluindo, compreendendo, ou tendo, contendo, envolvendo, e as variações dos mesmos tem a intenção de abranger os itens listados posteriormente e os equivalentes dos mesmos, assim como itens adicionais.

Conforme o uso em questão, o termo mistura de fluidos abrange, mas não se limita a, misturas de fluidos, misturas de fluidos e sólidos, e misturas de fluidos e/ou sólidos e/ou pastas fluidas.

Em uma mistura de fluidos que compreende componentes com densidades diferentes, por exemplo, água e um hidrocarboneto, tal como petróleo, pode-se separar os componentes, pelo menos em parte, induzindose um fluxo rotacional à mistura de fluidos. Por exemplo, se a mistura de fluidos for colocada no interior de um tanque e for conferido um fluxo rotacional à mistura de fluidos no interior do tanque, um componente fluido com uma densidade inferior se move em direção a um eixo geométrico central do fluxo rotacional em resposta às forças centrípeta e/ou centrífuga geradas pelo fluxo rotacional. Um fluido com uma densidade superior se move em direção a uma periferia do fluxo rotacional em resposta à força centrípeta gerada pelo fluxo rotacional. Um fluido rico em um componente menos denso pode ser removido a partir de uma área próxima ao eixo geométrico central da mistura de fluidos em rotação. Alternativa ou adicionalmente, um fluido rico em um componente mais denso pode ser removido a partir de uma área próxima à periferia da massa da mistura de fluidos em fluxo rotacional.

As misturas de fluidos que compreendem componentes com densidades diferentes também podem ser separadas com o passar do tempo através de separação gravitacional. Se for permitido que uma mistura de fluidos que contenha um componente menos denso, tal como o petróleo, e um componente mais denso, tal como a água, se assente em um tanque em um estado não-agitado, com o passar do tempo, o componente menos denso bóia e o componente mais denso afunda, resultando em um fluido rico em um componente menos denso em um nível superior da mistura de fluidos e em um fluido rico em componente mais denso em uma porção inferior da mistura de fluidos. Pode-se acelerar este processo de separação, por exemplo, colocando-se bolhas de gás, tendo uma densidade menor que a densidade do componente menos denso, em contato com o componente menos denso na mistura de fluidos. As bolhas de gás pode ser colocadas em contato com o componente menos denso através de uma série de formas que incluem, por exemplo, introduzir um fluido contendo gás dissolvido em uma mistura de fluidos a ser separada, ou introduzir gás sob a forma de folhas diretamente na mistura de fluidos. A mistura de fluidos e gás podem ser misturada, ainda, de modo a colocar o gás, gás dissolvido, ou bolhas de gás que sejam formadas a partir do gás dissolvido, em contato com o componente menos denso. Em alguns casos, uma parte do gás pode se difundir no componente menos denso, aumentando-se, assim, a flutuabilidade do componente menos denso. Um sistema de separação por flotação também pode, em alguns casos, ser auxiliado pela introdução de calor à mistura de fluidos e/ou ao gás.

Várias modalidades de aparelhos e métodos de separação de uma mistura de fluidos de acordo com a presente invenção podem compreender um ou mais desses métodos de induzir a separação de um ou mais componentes menos densos a partir de um ou mais componentes mais densos em uma mistura de fluidos. Na descrição a seguir de várias modalidades da presente invenção, descrever-se-á a separação de componentes em uma mistura de fluidos em termos da separação de uma mistura de fluidos que inclui um componente de hidrocarboneto e água em um fluido rico em componente de hidrocarboneto e em um fluido rico em água, porém, deve-se compreender que as várias modalidades da presente invenção não se limitam à separação de uma mistura de fluidos em um componente rico em hidrocarboneto e em um componente rico em água. Podem-se utilizar várias modalidades da presente invenção para separar qualquer entre uma série de diferentes misturas de fluidos em qualquer entre uma série de diferentes componentes com base em densidades diferentes. Por exemplo, o sistema e método das modalidades da presente invenção podem ser usados para separar uma mistura contendo hidrocarbonetos com densidades diferentes, misturas de fluidos biológicos com densidades diferentes, uma mistura de H₂O (água normal) e D₂O (água pesada), uma mistura de água e salmoura pesada, ou uma pasta fluida com areia betuminosa tendo betume e outros sólidos.

Em algumas modalidades, os componentes do fluido a serem separados não precisam ter densidades diferentes. Nessas modalidades, as densidades efetivas dos componentes podem ser alteradas como parte do processo de separação. Em algumas, pode-se alterar uma característica de um componente, por exemplo, através de uma reação química para alterar a densidade do componente em relação a outro componente em uma mistura. Por exemplo, se um primeiro componente de uma mistura de fluidos tiver uma afinidade maior por um gás do que um segundo componente, este gás podería ser adicionado à mistura com a finalidade de alterar a densidade do primeiro componente em relação ao segundo componente.

Os aparelhos de acordo com as modalidades da presente invenção destinados à separação eficaz de uma mistura de fluidos podem, em geral, compreender um tanque externo que aloja uma estrutura interna, dentro da qual um movimento rotacional pode ser conferido a uma mistura de fluidos introduzida na mesma. No presente documento, a estrutura interna é denominada como uma zona de geração de vórtice. Em algumas modalidades, podem-se proporcionar uma ou mais entradas para fluidos que servem para introduzir fluidos na zona de geração de vórtice. As entradas para fluidos podem ser dispostas de modo a introduzir os fluidos a serem separados na zona de geração de vórtice em um ângulo com um componente tangencial em relação a uma parede interna da zona de geração de vórtice próxima às entradas para fluidos, com a finalidade de introduzir um fluxo rotacional de fluidos no interior da zona de geração de vórtice. As entradas para fluidos também podem ser dispostas de modo a introduzir os fluidos a serem separados na zona de geração de vórtice em um ângulo ascendente, com a finalidade de introduzir um fluxo ascendente de fluidos através da zona de geração de vórtice.

Pode-se proporcionar uma ou mais entradas para gases com a finalidade de proporcionar gás sob a forma de bolhas ou gás dissolvido na zona de geração de vórtice. O gás pode ser colocado em contato com um ou mais componentes da mistura de fluidos, facilitando o movimento ascendente de um ou mais componentes em relação a um ou mais outros componentes, em alguns casos, alterando-se a densidade efetiva desses componentes. Isto pode facilitar a separação dos componentes da mistura de fluidos. O fluxo rotacional de fluidos na zona de geração de vórtice pode induzir a separação dos componentes fluidos com diferentes densidades efetivas através da ação das forças centripeta e/ou centrífuga.

Pode-se encontrar uma zona de separação acima e ao redor da zona de geração de vórtice no interior do tanque de separação. Após fluir através da zona de geração de vórtice, a mistura de fluidos parcialmente separada pode entrar na zona de separação. Na zona de separação, os componentes fluidos menos densos flutuam, enquanto os componentes flui dos mais densos afundam. Pode-se introduzir gás adicional através de entradas para gases na zona de separação com a finalidade de facilitar, adicionalmente, a separação dos componentes fluidos.

Em uma região próxima a uma extremidade superior da zona de separação, pode-se remover o fluido rico em um componente menos denso através de uma saída superior para fluidos. Em uma região próxima a uma extremidade inferior da zona de separação, pode-se remover um fluido rico em um componente mais denso através de uma saída inferior para fluidos.

Ilustra-se na Figura 1 um aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos em múltiplos componentes constituintes de acordo com um aspecto da presente invenção. O aparelho compreende um tanque 100 dotado de paredes laterais 102, uma parede superior 104, e uma parede inferior 106. O tanque 100 pode ter qualquer tamanho e formato adequado para um propósito particular. O tanque 100 pode, em algumas modalidades, ser cilíndrico, retangular, quadrado, ou redondo. O tanque 100 pode ter uma altura suficiente para proporcionar uma distância suficiente para uma quantidade desejada de separação de componentes. Em algumas modalidades, a parede lateral do tanque 102 é curva, formando, assim, um tanque cilíndrico. Em algumas modalidades, a parede superior 104 e/ou a parede inferior 106 podem ser curvas conforme ilustrado na Figura 1, porém, também podem ser planas, curvas de forma côncava, ou qualquer entre várias configurações diferentes.

O tanque 100 pode compreender uma parede afunilada 112 posicionada no interior do tanque. Deve-se compreender que o termo parede afunilada significa uma parede que é angulada em relação a um eixo geométrico vertical em ao menos uma porção da parede. A parede afunilada 112 é conectada à parede inferior 106 e define uma zona de geração de vórtice 114 dotada de uma saída em uma extremidade. A área em corte transversal da zona de geração de vórtice 114 em uma base próxima à parede inferior 106 pode ser maior que uma área em corte transversal em uma saída da zona de geração de vórtice 114. Uma altura de parede afunilada 112 pode ser suficiente para proporcionar um tempo de permanência desejado de uma mistura de fluidos na zona de geração de vórtice 114 e/ou uma quantidade desejada de separação de componentes de uma mistura de fluidos introduzida na zona de geração de vórtice 114. O afunilamento da parede afunilada 112 pode ser constante, conforme ilustrado na Figura 1, ou pode ter uma ou mais regiões onde a taxa de afunilamento aumenta ou diminui. A parede afunilada 112 pode ser curva. Em algumas modalidades, a parede afunilada 112 pode estar sob a forma de um cone truncado invertido tendo um diâmetro em corte transversal maior, em uma base, do que uma área em corte transversal em uma extremidade superior. O afunilamento não precisa ser uniforme em todas as regiões em torno da periferia da parede afunilada 112.

A parede afunilada 112 define uma região interna ao tanque 100 que é denominada, no presente documento, como uma zona de geração de vórtice 114. Quando se encontra em uso, introduz-se uma mistura de fluidos em uma porção inferior da zona de geração de vórtice 114 em um ângulo com um componente tangencial em relação à parede afunilada 112 em um ponto de introdução. Devido ao ângulo de introdução, a mistura de fluidos atinge uma determinada velocidade rotacional. Devido à conservação do momento rotacional, a velocidade rotacional aumenta à medida que a mistura de fluidos se eleva através da zona de geração de vórtice à medida que a área ou diâmetro em corte transversal da zona de geração de vórtice se torna menor. O fluxo rotacional induz os componentes menos densos da mistura de fluidos a se moverem em direção ao centro da zona de geração de vórtice e os componentes mais densos a se moverem em direção à parede afunilada 112 devido à ação das forças centrípeta e/ou centrífuga. À medida que a velocidade rotacional do fluido que passa ascendentemente através da zona de geração de vórtice aumenta, as forças centrípeta e centrífuga experimentadas pelos componentes do fluido também podem aumentar, o que pode levar a uma separação adicional de componentes fluidos na extremidade superior da zona de geração de vórtice.

O afunilamento da parede afunilada 112 pode ser selecionado de modo a proporcionar uma velocidade rotacional de fluido no interior da zona de geração de vórtice suficiente para separar os componentes fluidos em um grau desejado para uma taxa de rendimento particular de fluidos. O afunilamento da parede afunilada 112 da zona de geração de vórtice também pode ser selecionado de modo a proporcionar um tempo de permanência da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice suficiente para permitir uma mistura adequada e um contato entre a mistura de fluidos e as bolhas de gás que podem ser introduzidas na zona de geração de vórtice além da mistura de fluidos. Para uma determinada altura de tanque, à medida que o afunilamento da parede 112 se torna maior, a velocidade rotacional em uma região superior da zona de geração de vórtice se torna maior, e o tempo de permanência do fluido e o tempo disponível no qual as bolhas de gás podem ficar em contato com os componentes fluidos na zona de geração de vórtice diminuem.

A Figura 2 ilustra a velocidade resultante Vr versus a altura no interior de uma zona de geração de vórtice em relação a um ângulo de afunilamento da parede afunilada 112 de acordo com uma modalidade da invenção, com uma zona de geração de vórtice tendo uma base com 68,58 cm (27 pol) de diâmetro e o fluido introduzido tem uma velocidade resultante inicial Vr igual a 1,4 cm/seg (0,046 pés/seg). Deve-se compreender que a velocidade resultante significa a velocidade total do fluido, que compreende tanto componentes verticais como horizontais, em oposição à velocidade rotacional que compreende apenas um componente horizontal. A velocidade resultante Vr aumentará em vários ângulos da parede afunilada 112 quando se introduz o fluido com uma velocidade resultante inicial Vr. Na Figura 2, a velocidade resultante do fluido aumenta à medida que o mesmo se move até a parede afunilada. A taxa de aumento na velocidade resultante aumenta em uma determinada altura à medida que o ângulo de afunilamento da parede afunilada 112 aumenta. À medida que a velocidade rotacional da mistura de fluidos aumenta, a superfície superior da mistura de fluidos pode começar a se tornar côncava e formar uma superfície parabólica tipo cuba devido às forças centrípeta e centrífuga. Por exemplo, para uma zona de geração de vórtice com uma altura de 76,2 cm (2,5 pés), um diâmetro de base de 68,58 cm (27 pol), e um fluxo de entrada de água oleosa de 548 litros/minuto (145 galões/minuto), concavidade da superfície da mistura de fluidos pode começar a se desenvolver se as paredes da zona de geração de vórtice se afunilarem em um ângulo maior que cerca de 5 graus em relação à vertical. Em algumas modalidades, este convavidade pode interferir na remoção de fluidos a partir da saída superior para fluidos 120.

Portanto, pode ser desejável considerar tanto a velocidade rotacional como o tempo de permanência do fluido na zona de geração de vórtice quando se seleciona um ângulo de afunilamento para a parede afunilada 112. O ângulo de afunilamento pode ser selecionado com base em fatores que incluem, por exemplo, o tamanho e formato da zona de geração de vórtice, a taxa de rendimento do fluido ao longo do tanque, e o método de extração dos componentes menos densos de uma mistura de fluidos a partir da zona de geração de vórtice e/ou zona de separação. Em algumas modalidades, a parede afunilada 112 é, em geral, afunilada em um ângulo entre zero e cerca de 14 graus em relação à vertical, com a finalidade de evitar um fluxo turbulento no interior da zona de geração de vórtice e/ou zona de separação. Em determinadas modalidades, um ângulo de afunilamento maior que 14 graus pode resultar em um fluxo turbulento no interior da zona de geração de vórtice e/ou zona de separação que pode resultar na dispersão de gotículas de um componente menos denso da mistura de fluidos em vez de uma coalescência e separação deste componente a partir de componentes mais densos da mistura de fluidos. Em outras modalidades, o afunilamento pode estar entre cerca de 5 e cerca de 10 graus em relação à vertical. Em determinadas modalidades, um ângulo de afunilamento maior que cerca de 10 graus pode resultar em convavidade da superfície da mistura de fluidos no tanque, podendo interferir significativamente na remoção dos componentes menos densos de uma mistura de fluidos a partir da zona de geração de vórtice e/ou zona de separação. Em outras modalidades, o afunilamento pode ser igual a cerca de nove graus em relação à vertical.

O formato e o volume geral da zona de geração de vórtice podem ser selecionados com base em fatores, tais como o tipo de mistura de fluidos a ser separada, a taxa de rendimento desejada e/ou a área ocupada geral desejada do tanque de separação. Em muitos casos, deseja-se uma taxa de rendimento maior e uma área ocupada menor. Como um exemplo, um tanque que inclui uma zona de geração de vórtice projetada para separar o petróleo da água com uma taxa de rendimento de 5.000 barris/dia (aproximadamente 548 litros/minuto (145 galões/minuto)) e configurada para se encaixar em um estrado com um tamanho de cerca de 3,65 m (12 pés) de comprimento por cerca de 2,43 m (oito pés) de largura pode ter uma zona de geração de vórtice com um diâmetro em seu ponto mais largo igual a cerca de 68,58 cm (27 pol) e um diâmetro em sua extremidade superior igual a cerca de 44,45 cm (17,5 pol), com uma altura igual a cerca de 76,2 cm (30 pol) e um afunilamento de parede igual a cerca de 9 graus em relação à vertical, com a finalidade de proporcionar uma separação adequada da água oleosa. Um tanque que inclui uma zona de geração de vórtice com essas dimensões deve, em determinadas modalidades, ter uma área ocupada de cerca de 3,04 m (10 pés) de comprimento por cerca de 2,13 m (sete pés) de largura, de modo a permitir a colocação de unidades adicionais sobre o estrado, ou o uso de um estrado menor. Para taxas de rendimento maiores, a zona de geração de vórtice pode ter seu tamanho aumentado, ou o afunilamento de parede reduzido. Em determinadas modalidades, unidades adicionais, tais como, por exemplo, unidades de pré-tratamento ou pós-tratamento podem ocupar o mesmo estrado de um tanque de acordo com as modalidades da presente invenção.

Encontra-se uma zona de separação 116 externa à zona de geração de vórtice 114. A zona de separação 116 fica localizada acima e ao lado da zona de geração de vórtice 114. O tamanho da zona de separação 116, incluindo a altura da zona de separação e a largura da zona de separação, pode ser selecionado de modo a proporcionar um tempo de permanência desejado para o fluido na zona de separação 116. A zona de separação 116 é definida pela parede do tanque 102, pela parede inferior 106, pela parede afunilada 112, e pela parede superior interna 118. Na Figura 1, ilustrase a parede superior interna 118 tendo um formato curvo em domo, porém, em determinadas modalidades a parede superior interna 118 pode ter uma curvatura diferente, pode não ter curvatura, ou pode ser uma curvatura apenas ao longo de uma porção de seu diâmetro. A parede superior interna 118 inclui uma saída superior para fluidos 120 situada próxima a um eixo geométrico vertical central do tanque próximo à zona de separação 116 e acima de uma região central da zona de geração de vórtice 114.

Em determinadas modalidades, a saída superior para fluidos 120 pode ficar situada acima da extremidade superior da zona de geração de vórtice. Em uso, a saída superior para fluidos 120 consiste em uma saída destinada a fluidos ricos em um componente menos denso do que outro componente de uma mistura de fluidos que é introduzida no tanque 100. As paredes da saída para fluidos 120 são ilustradas na Figura 1 na posição vertical, porém, não se deve considerar esta posição como limitadora. Em determinadas modalidades, as paredes da saída para fluidos 120 podem ser afuniladas, ou até mesmo não-existentes. A combinação da parede superior interna 118, saída para fluidos 120, parede superior do tanque 104, e a saída para fluidos do tanque superior 108 conforme ilustrado nas Figuras 1,3 e 4 pode ser denominada como um desenho frente a frente de saída para fluidos. Em determinadas modalidades, podem-se utilizar estruturas e métodos alternativos para remover fluidos ricos em um componente menos denso de uma mistura de fluidos a partir da zona de geração de vórtice 114 e/ou zona de separação 116. Essas estruturas ou métodos alternativos podem incluir, por exemplo, um sistema escumador, uma bomba de sucção e a tubulação associada, um acumulador de fluidos cônico, e um tubo de sifão.

O tanque 100 pode incluir, também, uma ou mais entradas para fluidos 126 conectadas, de maneira fluídica, à zona de geração de vórtice 114. Embora uma entrada para fluidos 126 seja ilustrada na Figura 1, algumas modalidades podem incluir uma pluralidade de entradas para fluidos 126. Em operação, a entrada ou entradas para fluidos 126 fornecem uma mistura de fluidos a ser separada na zona de geração de vórtice 114 do tanque 100. Em alguns métodos, pode-se introduzir um gás em uma mistura de fluidos que flui através da entrada ou entradas 126 antes de o fluido entrar na zona de geração de vórtice 114.

Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para fluidos 126 podem ser posicionadas e anguladas com a finalidade de introduzir o fluido na zona de geração de vórtice em uma direção angulada ascendente a partir de um eixo geométrico horizontal. Em determinadas modalidades, entrada ou entradas para fluidos 126 podem introduzir uma mistura de fluidos na zona de geração de vórtice em um ângulo entre zero e cerca de dez graus acima de um eixo geométrico horizontal. Em determinadas modalidades, um ângulo de introdução de fluidos na zona de geração de vórtice maior que cerca de dez graus acima de um eixo geométrico horizontal pode resultar em um tempo de permanência insuficiente da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice para realizar a separação suficiente dos componentes da mistura de fluidos. Em outras modalidades, o ângulo da entrada para fluidos pode estar entre cerca de um e dois graus, com a finalidade de proporcionar um tempo de permanência maior da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice. Em outras modalidades, este ângulo pode ser aproximadamente igual a um grau.

Em determinadas modalidades, os ângulos ascendentes da entrada ou entradas para fluidos 126 podem ser selecionados de modo a conferirem uma velocidade ascendente do componente a uma mistura de fluidos na zona de geração de vórtice suficiente para proporcionar uma taxa de rendimento ou tempo de permanência desejado do fluido na zona de geração de vórtice. Se uma pluralidade de entradas para fluidos 126 estiver presente, as mesmas não precisam ser todas anguladas no mesmo ângulo em relação ao eixo geométrico vertical. Para modalidades onde forem desejados um tempo de permanência grande e/ou um período de tempo grande durante os quais o gás pode entrar em contato com os componentes da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice, a entrada ou entradas para fluidos 126 devem, por exemplo, ser anguladas em ângulo ascendente de 1,2 grau.

A entrada ou entradas para fluidos 126 também podem, em determinadas modalidades, ser posicionadas e anguladas de modo a introduzir fluidos na zona de geração de vórtice em um ângulo tendo um componente vetorial tangente a uma parede interna da zona de geração de vórtice 114 em um ponto na parede interna próximo à entrada ou entradas para fluidos 126. Isto pode reduzira probabilidade de colisões frontais da vazão de fluidos e/ou auxiliar na criação de um fluxo rotacional de fluidos no interior da zona de geração de vórtice. As colisões frontais das vazões de fluidos no interior da zona de geração de vórtice podem, em alguns casos, resultar em turbulência e na criação de bolhas de gás maiores a partir da coalescência de bolhas de gás menores que podem estar presentes na zona de geração de vórtice, o que pode ser indesejável por razões que serão mais adiante explicadas de forma mais abrangente. Se uma pluralidade de entradas para fluidos 126 estiver presente, as mesmas não precisam estar todas anguladas no mesmo ângulo em relação a uma parede interna da zona de geração de vórtice 114 em um ponto na parede interna próximo a cada entrada para fluidos 126.

O tanque 100 pode ter várias saídas para fluidos que incluem uma primeira saída para fluidos 108 e uma segunda saída para fluidos 110. As posições da primeira e da segunda saída para fluidos 108 e 110 podem estar em qualquer lugar na porção superior ou inferior do tanque. Em uma modalidade, a primeira saída para fluidos 108 fica localizada em uma porção superior do tanque 100. A saída para fluidos 108 pode ser uma saída destinada a componentes menos densos de uma mistura de fluidos. Em outra modalidade, a segunda saída para fluidos 110 fica localizada em uma porção inferior do tanque 100 e é conectada, de maneira fluídica, à zona de separação 116. A saída para fluidos 110 pode ser uma saída destinada a componentes mais densos de uma mistura de fluidos. Ainda em outra modalidade, a segunda saída para fluidos 110 pode estar localizada abaixo da entrada para gases 122, quando presente, com a finalidade de evitar ou minimizar a remoção do gás introduzido pela entrada ou entradas para gases 122. Ainda em outra modalidade, a segunda saída para fluidos 110 pode estar localizada pelo menos em cerca de 0,3 m (um pé) abaixo da entrada para gases 122. As saídas podem assumir os formatos e formas de quaisquer saídas para fluidos conhecidas na técnica.

O tanque de acordo com as modalidades da presente invenção pode incluir uma ou mais entradas para gases que servem para direcionar o gás na zona de geração de vórtice, na zona de separação, ou em ambas. O gás introduzido através dessas entradas pode ser introduzido sob a forma de um gás livre, de bolhas de gás em um fluido, ou como um gás dissolvido em um fluido.

Reportando-se à Figura 1, as entradas para gases 122 são conectadas, de maneira fluídica, à zona de separação 116 e as entradas para gases 124 são conectadas, de maneira fluídica, à zona de geração de vórtice. As entradas para gases 122 são posicionadas de modo a fornecer um gás, ou, em determinadas modalidades, um fluido que compreenda bolhas de gás ou gás dissolvido, na zona de separação 116 do tanque 100. Em determinadas modalidades, essas entradas são posicionadas acima da saída inferior para fluidos 110. Em determinadas modalidades, essas entradas são posicionadas pelo menos cerca de 0,3 m (um pé) acima da saída inferior para fluidos 110. O posicionamento das entradas para gases 122 suficientemente acima da saída inferior para fluidos 110 pode reduzir a quantidade de gás ou evitar que o gás introduzido através das entradas para gases 122 seja extraído junto a qualquer fluido que flua para fora do tanque através da saída inferior para fluidos 110. As entradas para gases 124 são posicionadas de modo a fornecer um gás, ou, em determinadas modalidades, um fluido contendo gás, na zona de geração de vórtice 114 do tanque 100. Embora duas de cada uma das entradas para gases 122 e 124 sejam ilustradas na Figura 1, em determinadas modalidades, uma ou mais entradas para gases 122 podem ser proporcionadas para introduzir o gás na zona de separação e uma ou mais entradas para gases 124 podem ser proporcionadas para introduzir o gás na zona de geração de vórtice.

Em determinadas modalidades, as entradas para gases 124 podem ser posicionadas e anguladas de modo a introduzir um gás ou um fluido contendo bolhas de gás ou gás dissolvido na zona de geração de vórtice em um ângulo suficiente para conferir uma velocidade ascendente do componente à mistura de fluidos na zona de geração de vórtice suficiente para pro porcionar uma taxa de rendimento ou tempo de permanência desejado da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice. Em determinadas modalidades, este ângulo pode ser de zero a cerca de 45 graus acima de um eixo geométrico horizontal. Para modalidades onde é desejado um tempo de permanência grande, a entrada ou entradas para gases 124 podem ser posicionadas de modo a introduzirem gás ou um fluido contendo gás horizontalmente ou até mesmo em um ângulo abaixo de um eixo geométrico horizontal na zona de geração de vórtice.

Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para gases 124 também podem ser posicionadas e anguladas de modo a introduzirem gás na zona de geração de vórtice em um ângulo tendo um componente vetorial tangente a uma parede interna da zona de geração de vórtice 114 em um ponto na parede interna próximo à entrada ou entradas para gases 124. Isto pode reduzir a probabilidade de colisões frontais de diferentes vazões de fluidos e/ou auxiliar na criação do fluxo rotacional de fluidos no interior da zona de geração de vórtice. Se uma pluralidade de entradas para gases 124 estiver presente, as mesmas não precisam ser todas anguladas no mesmo ângulo em relação a uma parede interna da zona de geração de vórtice 114 em um ponto na parede interna próximo a cada entrada para gases 124.

Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para gases 122 podem ser posicionadas e anguladas de modo a introduzir um gás ou um fluido contendo bolhas de gás ou gás dissolvido na zona de separação 116 em um ângulo suficiente para conferir um tempo de permanência desejado ao fluido na zona de separação. A entrada ou entradas para gases 122 podem ser posicionadas em um ângulo de modo a proporcionar um fluxo desejado de fluidos na zona de separação, o que pode depender de vários fatores, que incluem, por exemplo, a configuração da zona de geração de vórtice, o tipo de mistura de fluidos a ser separado, o tempo de permanência desejado do fluido no tanque, e o fluxo desejado de gás ou fluido contendo gás através da entrada ou entradas para gases 122. A entrada ou entradas para gases 122 também podem ser posicionadas de modo a pro porcionar uma dispersão desejada de gás no interior da zona de separação. Um ângulo inferior de entrada pode permitir que o gás introduzido através da entrada ou entradas para gases 122 se disperse, de maneira mais uniforme, através da zona de separação e proporcione uma oportunidade maior para que o gás entre em contato com os componentes da mistura de fluidos à medida que o gás se eleva em comparação com um ângulo superior de entrada. Em determinadas modalidades, este ângulo pode ser de zero a cerca de 45 graus acima de um eixo geométrico horizontal. Este ângulo de entrada pode, em determinadas modalidades, estar abaixo de um eixo geométrico horizontal, aumentando, ainda, o tempo de permanência do fluido na zona de separação 116. Se uma pluralidade de entradas para gases 122 estiver presente, as mesmas não precisam todas ser anguladas no mesmo ângulo acima de um eixo geométrico horizontal.

Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para gases 122 também podem ser posicionadas e anguladas de modo a introduzir um gás na zona de separação 116 em um ângulo tendo um componente vetorial tangente a uma parede interna da zona de separação 116 em um ponto na parede do tanque 102 próximo à entrada ou entradas para gases 122. Isto pode reduzir a probabilidade de colisões frontais da vazão de fluidos e/ou auxiliar na criação ou manutenção do fluxo rotacional do fluido no interior da zona de separação. Se uma pluralidade de entradas para gases 122 estiver presente, as mesmas não precisam ser todas anguladas no mesmo ângulo em relação à parede do tanque 102 em um ponto na parede do tanque próximo a cada entrada para gases 122.

Os ângulos de introdução da mistura de fluidos e gás na zona de geração de vórtice podem ser selecionados de modo a reduzir a incidência de colisões frontais da vazão de fluidos que será separada e a vazão de fluidos contendo gás. As colisões frontais dessas vazões de fluidos podem resultar em turbulência e/ou coalescência do gás dissolvido em bolhas de gás maiores, o que pode, em alguns casos, ser indesejável. Por exemplo, a coalescência do gás dissolvido em bolhas de gás maiores pode reduzir a área superficial total do gás e/ou a dispersão do gás, reduzindo, assim, o contato com a mistura de fluidos, o que pode reduzir a eficiência de separação. Da mesma forma, as bolhas de gás maiores podem se mover mais rapidamente para cima através da zona de geração de vórtice do que as bolhas de gás menores, proporcionado menos tempo para possíveis contatos entre as bolhas de gás e os componentes da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice.

Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para fluidos 126 podem compreender separadores adicionais, tal como um separador espiral preliminar interno. O separador espiral preliminar pode induzir uma separação parcial inicial da mistura de fluidos em seus componentes constituintes e/ou aumentar o tamanho das gotículas de componentes menos densos, tal como, por exemplo, os hidrocarbonetos presentes na mistura de fluidos. Em determinadas modalidades, o separador espiral preliminar pode estar localizado a montante da entrada ou entradas para fluidos 126 e estar em comunicação fluidica com a entrada ou entradas 126 e com uma fonte de uma mistura de fluidos. Descreve-se um exemplo de um separador espiral preliminar, que pode ser utilizado, na Patente U.S. N° 5.277.803, cuja descrição encontra-se aqui incorporada em sua totalidade por todos os propósitos. Particularmente, SPIRALSEP, elemento 34 da Patente U.S. N° 5.277.803, consiste em uma modalidade de um separador espiral que pode ser utilizado em determinadas modalidades da presente invenção.

O tanque 100 pode incluir, também, um material coalescente 128 na zona de separação 116. O material coalescente 128 pode compreender seções discretas de material, ou, em determinadas modalidades, pode ser um material contínuo que pode circundar substancial ou completamente a parede afunilada 112 e pode se estender a partir da parede afunilada 112 até a parede lateral do tanque 102. O material coalescente pode ser posicionado acima da entrada ou entradas para gases 122. Em determinadas modalidades, o material coalescente pode ser suportado por uma estrutura de sustentação (não mostrada) que pode ser ajustável em relação à altura no interior do tanque.

Qualquer material coalescente tendo uma grande razão entre área superficial e o volume e resistência à degradação pelos componentes de fluido a serem separados e um sistema particular pode ser adequado para uso em determinadas modalidades. Os materiais coalescentes adequados podem incluir, por exemplo, um leito empacotado de meio coalescente, tal como Nacto-Lescer® (disponível junto a National Tank Co., Houston, TX, EUA) ou meio laminado, tal como o meio coalescente Performax® (disponível junto a National Tank Co., Houston, TX, EUA). Outros meios coalescentes tipo laminados que podem ser usados são descritos nas Patentes U.S. Nos. 5.300.222 e 5.407.584, cujas descrições estão aqui incorporadas em suas totalidades por todos os propósitos. Este empacotamento de coalescência pode compreender um meio tipo laminado modular com uma estrutura dotada de sulcos transversais que cria vários canais de interconexão.

Em operação, o material coalescente 128 pode reduzir a velocidade e/ou turbulência do fluido que flui, de maneira rotacional, para baixo em um fluxo contracorrente na zona de separação. A velocidade e/ou turbulência reduzida pode permitir que as bolhas de gás ou gás dissolvido presentes na zona de separação ou as bolhas de gás ou gás dissolvido que podem ser introduzidos a partir da entrada ou entradas para gases 122 façam contato com um componente fluido menos denso, tal como, por exemplo, hidrocarbonetos presentes na zona de separação, facilitando, assim, a flutuação deste componente através da zona de separação 116. O material coalescente 128 pode, também, reter um componente menos denso presente em um fluido que flui para baixo através da zona de separação, enquanto permite que um componente mais denso passe através, e, em determinadas modalidades, seja removido através da saída inferior para fluidos 110.

Referindo-se à Figura 3, o tanque 100 pode incluir, também, uma zona de coleta de sólidos 130 definida pela parede intermediária 145. A parede intermediária 145 pode ser conectada, de maneira vedante, à parede afunilada 114 e à saída para sólidos 132 do tanque 100. Esta zona de coleta de sólidos pode estar situada abaixo e, em comunicação fluídica, com a zona de geração de vórtice 114. Em operação, à medida que uma mistura de fluidos introduzida no tanque flui através da zona de geração de vórtice 114, os sólidos presentes na mistura de fluidos podem se desprender da mistura pela força da gravidade e precipitados na zona de coleta de sólidos 130. Os sólidos acumulados podem ser removidos a partir da zona de coleta de sólidos 130, seja contínua ou alternadamente, através da saída para sólidos 132.

A Figura 3 também ilustra uma configuração alternativa da parede superior 118 na saída frente a frente. Na Figura 3, a parede 118 não tem uma curvatura constante ao longo de todo seu diâmetro, porém, em vez disso, tem uma porção curvada para cima próxima à saída superior para fluidos 108. Isto pode proporcionar uma área de coleta intermediária que serve para reduzir o movimento de redemoinho e/ou a introdução adicional de gás no componente menos denso na zona 150.

A Figura 4 ilustra uma configuração alternativa do tanque 100. Conforme se ilustra na Figura 4, o tanque 100 compreende uma entrada ou entradas para gases 124 e uma entrada ou entradas para fluidos 126 posicionadas e dispostas ao longo de um plano horizontal comum. Em outras modalidades, a entrada ou entradas para gases 124 podem ser posicionadas acima ou abaixo de um plano horizontal definido pela entrada ou entradas para fluidos 126. Por exemplo, em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para gases 124 podem ser posicionadas cerca de 15,24 cm (seis polegadas) abaixo ou acima de um plano horizontal definido pelas entradas para fluidos 126. A colocação da entrada ou entradas para gases 124 e da entrada ou entradas para fluidos 126 em diferentes alturas na zona de geração de vórtice pode reduzir a ocorrência de colisão frontal das vazões de fluidos a partir de outras saídas. Em determinadas modalidades, a entrada ou entradas para gases 124 e a entrada ou entradas para fluidos 126 podem ser posicionadas próximas à interseção da parede afunilada 112 e um plano que passa horizontalmente através de uma porção da zona de geração de vórtice com a maior área em corte transversal 134, ou, em outras palavras, próximo à parede afunilada 112 no ponto mais largo da zona de geração de vórtice, conforme ilustrado na Figura 4. Os diâmetros e formatos das entradas para gases 122, das entradas para gases 124, e das entradas para fluidos 126 podem ser selecionados de modo a satisfazer as exigências particulares para uma aplicação particular. Por exemplo, em tanques projetados para processar uma grande quantidade de fluidos por dia, podem-se utilizar entradas com diâmetros maiores do que os que seriam usados em um tanque projetado para processar uma quantidade menor de fluidos por dia, com a finalidade de acomodar uma vazão de fluidos maior.

A Figura 4 também ilustra uma configuração alternativa da parede superior 118 na saída frente a frente. Na Figura 4, a parede 118 não é curva ao longo de todo seu diâmetro, porém, em vez disso, tem uma porção achatada próxima a sua periferia. Isto pode servir para a remoção imediata de um componente menos denso da mistura de fluidos. Em outra modalidade, a porção plana da parede superior 118 próxima à saída 108 pode estar em uma elevação diferente da porção plana da parede 118 em um lado oposto do tanque 100, com a finalidade de facilitar a remoção de fluidos através da saída 108.

Da mesma forma, conforme ilustrado na Figura 4, a parede afunilada 112 da zona de geração de vórtice pode incluir uma região de parede superior 112a tendo um afunilamento diferente da porção restante da parede afunilada 112. Em determinadas modalidades, esta região de parede superior 112a pode funcionar de modo a aumentar a velocidade rotacional do fluido logo antes de o mesmo sair da zona de geração de vórtice, com a finalidade de separar, adicionalmente, os componentes fluidos. O fornecimento de uma zona de geração de vórtice com um alto grau de afunilamento apenas em uma região próxima a sua extremidade superior pode permitir um aumento da velocidade rotacional de um fluido na zona de geração de vórtice, auxiliando, assim, em uma coalescência forçada de um componente menos denso da mistura de fluidos, enquanto mantém um tempo de permanência suficientemente maior de modo a proporcionar um contato adequado dos componentes da mistura de fluidos com o gás na zona de geração de vórtice.

A Figura 5 é uma vista alternativa da disposição das entradas para fluidos 126 e das entradas para gases 124 da Figura 4. A Figura 5 é uma vista em corte transversal superior ao longo da linha 5-5 da Figura 4. A Figura 5 ilustra um tanque que compreende duas de cada uma das entradas para gases 124 e entradas para fluidos 126, sendo que cada uma fica posicionada de modo a introduzir fluido e/ou gás na zona de geração de vórtice em um ângulo substancialmente tangente a uma parede interna da zona de geração de vórtice 114 em um ponto na parede interna próxima às entradas. Em determinadas modalidades, as entradas para gases 124 e as entradas para fluidos 126 podem ser posicionadas e anguladas de modo a introduzir fluido e/ou gás na zona de geração de vórtice em um ângulo com um componente tangencial menor do que o ilustrado na Figura 5. As entradas para gases 124 e as entradas para fluidos 126 podem, porém não precisem, ser anguladas de modo a introduzir fluido e/ou gás na zona de geração de vórtice em ângulos iguais ou similares. As entradas para gases 124 podem ser uniformemente espaçadas ao redor da zona de geração de vórtice uma em relação à outra e, em determinadas modalidades, também em relação às entradas para fluidos 126. As entradas para gases 124 e as entradas para fluidos 126 podem ser alternadamente posicionadas e espaçadas de maneira substancialmente uniforme ao redor da zona de geração de vórtice. As entradas para gases 122 também podem ser espaçadas uniformemente ou quase uniformemente ao redor de uma periferia da zona de geração de vórtice 114. Em determinadas modalidades, as entradas para gases 124 e/ou as entradas para fluidos 126 não podem se estender na zona de geração de vórtice, conforme ilustrado na Figura 5, porém, em vez disso, podem terminar na parede afunilada 112. O gás e/ou fluido provenientes das entradas para gases 124 e/ou das entradas para fluidos 126 podem, nessas modalidades, fluir na zona de geração de vórtice 114 através dos orifícios na parede afunilada 112. Esses orifícios podem, em determinadas modalidades, assumir a forma de elipses tendo dimensões, por exemplo, de um eixo geométrico principal de 7,62 cm (três polegadas) que se estende horizontalmente ao longo da parede afunilada 112 e um eixo geométrico menor de 2,54 cm (uma polegada) que se estende verticalmente ao longo da parede afunilada 112, ou um eixo geométrico principal de 5,08 cm (duas polegadas) e um eixo geométrico menor de 1,52 cm (0,6 pol). Esses orifícios podem, em modalidades alternativas, ser circulares, triangulares, retangulares, ou conformados de outras maneiras que possam permitir a introdução de uma mistura de fluidos na zona de geração de vórtice 114 e conferir uma velocidade rotacional a esta mistura de fluidos.

Em operação, a introdução da mistura de fluidos através de uma ou mais entradas para fluidos 126 na zona de geração de vórtice 114 em um ângulo ascendente e em um ângulo tendo um componente tangente à parede interna da zona de geração de vórtice próxima à posição de introdução do fluido pode induzir um fluxo ascendente espiral do fluido na zona de geração de vórtice 114. O fluido pode fluir em uma trajetória ascendente espiral através da zona de geração de vórtice 114 e, então, na zona de separação 116 acima e ao lado da zona de geração de vórtice 114.

No interior da zona de geração de vórtice, a mistura de fluidos introduzida a partir de uma ou mais entradas para fluidos 126 e o gás ou fluido contendo bolhas de gás e/ou gás dissolvido introduzido através das entradas para gases 124 podem ser introduzidos em ângulos aproximadamente idênticos, de tal modo que seja gerado um fluxo giratório cocorrente dos fluidos a partir das entradas para gases 124 e das entradas para fluidos 126. Por exemplo, o fluido introduzido através das entradas para fluidos 126 e das entradas para gases 124 pode ser introduzido em um ângulo com um componente vetorial tangente à parede da zona de geração de vórtice próxima à posição de introdução, de tal modo que o fluido e o gás fluam em uma direção em sentido horário. O fluxo cocorrente do fluido e gás no interior da zona de geração de vórtice pode ser benéfico, em alguns casos, em reduzir a turbulência na zona de geração de vórtice e/ou evitar colisões frontais das vazões de fluidos que podem resultar em pequenas bolhas de gás que coalescem em bolhas de gás maiores que podem ser menos efetivas em entrar em contato com os componentes da mistura de fluidos.

Um dispositivo ou sistema de separação de fluidos adicional pode estar presente a montante ou a jusante do tanque 100. Esses sistemas adicionais podem pré-tratar a mistura de fluidos de modo a entregar uma solução parcialmente separada ao tanque 100, ou pode pós-tratar o fluido de saída a partir do tanque 100 com a finalidade de separar, adicionalmente, o fluido de saída em ao menos um primeiro e um segundo efluente. Esses sistemas adicionais podem ser similares ao tanque 100, ou podem ser outros sistemas ou dispositivos, tais como, por exemplo, um sistema de separação baseado em hidrociclones.

Um método de utilização das modalidades do aparelho descrito anteriormente que serve para separar uma mistura de fluidos pode incluir uma ação de introdução de uma mistura de fluidos a ser separada no tanque 100. A mistura de fluidos pode ser introduzida a partir de uma fonte de mistura de fluidos através da entrada ou entradas para fluidos 126. Em determinadas modalidades, pode-se introduzir um gás na mistura de fluidos antes de o mesmo ser introduzido no tanque. Em determinadas modalidades, um separador preliminar espiral, tal como o separador SPIRALSEP® descrito na Patente U.S. N° 5.277.803 pode estar presente na entrada ou entradas para fluidos 126 ou entre uma fonte da mistura de fluidos e a entrada ou entradas para fluidos 126. O fluido que passa através do separador preliminar espiral pode ser pelo menos parcialmente separado em vários componentes presentes na mistura de fluidos. Por exemplo, os hidrocarbonetos que podem estar presentes na mistura de fluidos podem ser pelo menos parcialmente aglomerados antes da introdução da mistura de fluidos no tanque.

Uma mistura de fluidos introduzida na zona de geração de vórtice 114 flui de maneira giratória para cima através da zona de geração de vórtice. Em determinadas modalidades, este fluxo ascendente pode estar em uma faixa entre cerca de 3,04 e 15,4 cm/segundo (0,1 e 0,5 pé/segundo). Essa taxa pode proporcionar um tempo de permanência adequada de uma mistura de fluidos na zona de geração de vórtice de modo a misturar, suficientemente, com um gás que também possa ser introduzido na zona de geração de vórtice. Este fluxo ascendente pode ser facilitado introduzindo-se a mistura de fluidos na zona de geração de vórtice em um ângulo ascendente. Isto pode ser realizado incluindo-se uma porção de extremidade angulada ascendente na entrada ou entradas para fluidos 126. O fluido também pode fluir de maneira giratória na zona de geração de vórtice. Este fluxo rotacional pode ser facilitado introduzindo-se a mistura de fluidos em um ângulo com um componente tangente à parede interna da zona de geração de vórtice próxima ao local de introdução da mistura de fluidos. O componente giratório do fluxo da mistura de fluidos pode aumentar à medida que a mistura de fluidos flui para cima através da zona de geração de vórtice devido ao formato afunilado da zona de geração de vórtice. À medida que a mistura de fluidos flui, de maneira giratória, na zona de geração de vórtice, os componentes na mistura de fluidos com uma densidade inferior em relação a outros componentes podem se mover em direção a um eixo geométrico vertical central da zona de geração de vórtice, enquanto os componentes mais densos se movem em direção à parede afunilada 112, devido à ação das forças centrípetas e/ou centrífugas.

O gás também pode ser introduzido na zona de geração de vórtice. O gás pode ser introduzido através da entrada ou entradas para gases 124. O gás pode ter o potencial de alterar uma característica de um componente da mistura de fluidos de modo a conferir uma alteração em sua densidade e/ou viscosidade eficaz versus outros componentes fluidos. Em determinadas modalidades, o gás pode ser, por exemplo, ar, metano, acetileno, gás natural, e combinações dos mesmos. O gás pode ser diretamente introduzido em um estado gasoso, ou como um gás dissolvido em um fluido, ou como bolhas de gás transportadas por um fluido. Em determinadas modalidades, um gerador de bolhas de gás pode fornecer bolhas de gás às entradas para gases 122 e/ou 124. Uma bomba de flutuação de gás dissolvido, tal como, por exemplo, aquela descrita na Patente U.S. N° 6.337.023, cuja descrição encontra-se aqui incorporada em sua totalidade a título de referência, pode ser utilizada para proporcionar um fluido que compreende um gás dissolvido às entradas para gases 122 e/ou 124. Em muitos casos, pode ser desejável introduzir bolhas de gás que sejam menores, em vez de serem maiores, com a finalidade de aumentar a área superficial disponível das bolhas de gás. Isto também permite a criação de mais bolhas de gás pelo volume dado de gás introduzido, que pode economizar em custos químicos e pode proporcionar um maior potencial para que as bolhas de gás entrem em contato com componentes específicos da mistura de fluidos. Por exemplo, em determinadas modalidades, uma bomba de flutuação de gás dissolvido pode ser usada para introduzir bolhas de gás com um tamanho entre cinco e 100 mícrons de diâmetro na zona de geração de vórtice de um tanque de separação de fluidos. Em determinadas modalidades, uma bomba de flutuação de gás dissolvido pode introduzir gás com um diâmetro médio de bolha igual a cerca de 50 a 70 mícrons na zona de geração de vórtice e/ou na zona de separação de um tanque de separação de fluidos.

Em determinadas modalidades, ao menos uma porção do gás introduzido no fluido pela bomba de flutuação de gás dissolvido pode ser gás reciclado a partir do tanque 100 através de uma saída para gases, tal como a saída para gases 136 ilustrada na Figura 4. A saída para fases 136 pode estar localizada em uma parede da zona 150 com a finalidade de capturar o gás que entra na zona 150 junto ao componente menos denso da mistura de fluidos. Um subsistema de recuperação de gás convencional conforme conhecido na técnica pode estar presente, em determinadas modalidades, com a finalidade de facilitar a recuperação do gás a partir da saída para gases 136 e/ou recuperar os gases dissolvidos a partir dos fluidos que saem do tanque. O gás também pode ser introduzido no tanque a partir de uma fonte separada de gás em comunicação fluídica com uma entrada para gases de um gerador de bolhas de gás ou bomba de flutuação de gás dissolvido.

À medida que a mistura de fluidos flui através da zona de separação de vórtice, o gás introduzido com a mistura de fluidos ou através da entrada ou entradas para gases 124 pode entrar em contato com os componentes menos densos, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos que podem estar presentes na mistura de fluidos. Em determinadas modalidades, podese adicionar um tensoativo à mistura de fluidos na zona de geração de vórtice com a finalidade de facilitar o contato seletivo de gás com ao menos um componente fluido.

À medida que a mistura de fluidos sai da zona de geração de vórtice 114, a mesma pode entrar na zona de separação 116. Na zona de separação, a velocidade rotacional da mistura de fluidos pode diminuir devido ao atrito, devido a uma área em corte transversal aumentada da zona de separação ao contrário da zona de geração de vórtice, e/ou devido à interferência com o fluxo rotacional por parte do material coalescente 128. Os componentes menos densos da mistura de fluidos, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos, podem flutuar através da zona de separação. O gás que pode entrar em contato com o componente ou componentes menos densos pode facilitar o processo de flutuação. O componente ou componentes mais densos e/ou a mistura de fluidos rica em componente ou componentes mais densos se moverão para baixo através da zona de separação entre a parede afunilada 112 e a parede do tanque 102 para remoção.

Em alguns casos, parte dos componentes menos densos pode permanecer no fluido rico em componentes mais densos à medida que essas vazões de fluidos se movem para baixo através da zona de separação. Em modalidades nas quais a zona de separação inclui uma ou mais entradas para gases 122, o gás ou fluido contendo bolhas de gás e/ou gás dissolvido pode fluir para cima através da zona de separação devido às diferenças na densidade entre o fluido na zona de separação e o fluido contendo gás introduzido, e/ou devido a um ângulo ascendente de introdução do fluido contendo gás. Este contrafluxo do fluido rico em um componente mais denso da mistura de fluidos e gás na zona de separação facilita o contato do gás com os componentes menos densos do fluido que podem permanecer no fluido rico em componente ou componentes mais densos. À medida que o gás entra em contato com parte dos componentes remanescentes, sua flutuabilidade eficaz aumenta e os mesmos flutuam através da zona de separação para remoção no topo da zona de separação. Em determinadas modalidades, não existe limite superior à quantidade de gás que pode ser introduzida na zona de separação. Em outras modalidades, um limite superior na quantidade de gás que pode ser introduzido na zona de separação pode ser determinado calculando-se em qual ponto a mistura de gás/fluido na zona de separação se torna menos densa do que o componente menos denso da mistura de fluidos.

Em determinadas modalidades, os componentes menos densos, tais como, por exemplo, hidrocarbonetos que podem permanecer na mistura de fluidos rica em componentes mais densos, como gotículas ou como componentes dissolvidos, podem coalescer no material coalescente 128 à medida que o fluido rico em componentes mais densos se move para baixo através da zona de separação. No material coalescente, o componente ou componentes menos densos podem desaparecer da solução e podem formar e gotículas à medida que as moléculas adicionais ou gotículas adicionais coalescem. O gás proveniente da entrada ou entradas para gases 122 pode difundir o material coalescente, removendo o componente ou componentes acumulados a partir do material coalescente e/ou entrando em contato com parte ou todos os componentes presentes no empacotamento de coalescência 128 e/ou na zona de separação 116.

Em determinadas modalidades, o fluido rico em um componente mais denso da mistura de fluidos na zona de separação tem uma velocidade rotacional que induz a separação adicional dos componentes menos densos a partir dos componentes mais densos à medida que os componentes fluidos mais densos se movem em direção à parede lateral do tanque 102 e os componentes menos densos se movem em direção à parede afunilada 112 devido à ação das forças centrípeta e/ou centrífuga.

À medida que o componente ou componentes menos densos da mistura de fluidos flutuam através da zona de separação, os mesmos podem alcançar a parede superior interna 118 e se movem em direção à saída para fluidos 120. O fluido rico em componentes menos densos pode sair pela saída da zona de separação através 120 e entrar na região 150 definida pela parede lateral do tanque 102, parede superior do tanque 104 e parede superior interna 118. Este fluido pode, então, ser removido, seja contínua ou alternadamente, através saída para fluidos 108. As modalidades alternativas podem utilizar as saídas para fluidos e/ou os sistemas de separação de componentes fluidos diferentes dos projetos de saída frente a frente ilustrados nas Figuras 1, 3 e 4. Por exemplo, o fluido contendo hidrocarbonetos coalescidos pode ser removido a partir da zona de geração de vórtice utili zando-se qualquer entre uma variedade de meios, incluindo, por exemplo, um sistema escumador, uma bomba de sucção, um dreno sifonado, ou uma barragem.

Em alguns métodos de acordo com a presente invenção, um sistema de separação de fluidos, tal como ilustrado em qualquer uma das Figuras 1, 3 e 4 pode ser operado com um nível de fluido abaixo do nível superior da parede afunilada 112 da zona de geração de vórtice. Nesta configuração, o fluido giratório na zona de geração de vórtice pode formar uma superfície superior parabólica côncava devido às forças centrípeta e centrífuga. Pode-se desejar manter uma velocidade rotacional na superfície do fluido na zona de geração de vórtice de modo a evitar a formação de convavidade significativa da superfície do fluido ou a formação de uma cuba de vórtice profunda, com a finalidade de facilitar a remoção do fluido a partir da parte interna da zona de geração de vórtice. A formação de uma cuba de vórtice profunda pode ser evitada em alguns casos reduzindo-se o ângulo de afunilamento da parede e/ou um fluxo da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice. Por exemplo, para uma zona de geração de vórtice com uma altura de 76,2 cm (2,5 pés), um diâmetro de base de 68,58 cm (27 pol), e um fluxo interno de água oleosa de 548 litros/minuto (145 galões/minuto), uma cuba de vórtice pode começar a se desenvolver se as paredes da zona de geração de vórtice se afunilarem em um ângulo maior que cerca de 5 graus em relação a um eixo geométrico vertical.

Nos métodos de operação onde o nível de fluido não se eleva acima do nível superior da zona de geração de vórtice, o fluido rico em um componente menos denso pode ser removido a partir de uma região próxima ao eixo geométrico central da zona de geração de vórtice e os fluidos ricos em um componente mais denso podem ser removidos a partir de uma região próxima à parede da zona de geração de vórtice. Podem-se utilizar vários dispositivos e métodos para realizar a remoção de fluidos a partir da zona de geração de vórtice, incluindo, por exemplo, uma bomba conectada a um tubo inserido em uma região desejada da zona de geração de vórtice, um tubo de sifão inserido em uma região desejada da zona de geração de vórtice, ou uma ou mais saídas para fluidos construídas na parede da própria zona de geração de vórtice.

Ilustra-se, na Figura 6, uma modalidade de um aparelho de acordo com a presente invenção onde se remove o fluido diretamente a partir de uma zona de geração de vórtice. Na Figura 6, fixada à borda superior da parede afunilada 112 da zona de geração de vórtice, encontra-se uma saída para fluidos cônica truncada 138 que se estende no topo da zona de geração de vórtice. Em uso, um componente menos denso pode se dividir no espaço interno da saída para fluidos 138 e pode ser removido através do cano de saída 140. Pode-se remover um componente mais denso a partir da zona de geração de vórtice através da saída para fluidos 142. A largura D da extremidade inferior da saída 138 pode, em determinadas modalidades, ser pequena, por exemplo, 2,54 a 5,08 cm (uma a duas polegadas) de diâmetro, com a finalidade de permitir que apenas o fluido próximo ao eixo geométrico central da zona de geração de vórtice entre. Isto facilita a separação de componentes menos e mais densos porque os componentes menos densos presentes próximos ao eixo geométrico central da zona de geração de vórtice entrarão, de preferência, pela saída 138. A profundidade H da saída 138 também pode ser relativamente rasa, em determinadas modalidades, cerca de 15,24 a 17,78 cm (seis a sete polegadas). Isto permite que uma altura suficiente no interior da zona de geração de vórtice na qual a mistura de fluidos pode se separar em componentes constituintes, enquanto também permite uma profundidade aceitável da saída 138 a partir da qual o cano de saída 140 pode escoar o fluido até a saída. A saída cônica para fluidos 138 também pode, em determinadas modalidades, ser utilizada em um tanque, tal como ilustrado nas Figuras 1,2 ou 4, com a finalidade de remover o fluido a partir da porção superior da zona de separação 116.

Podem-se utilizar vários sistemas de controle que servem para controlar a operação do tanque 100. Os parâmetros que podem ser controlados incluem a vazão do fluido no tanque, a vazão do fluido através de quaisquer saídas para fluidos do tanque, e a vazão de gás dentro e fora do tanque. Por exemplo, um sistema de controle pode incluir um mecanismo de realimentação que serve para monitorar o nível de fluido no tanque e ajustar os fluxos de entrada e saída de fluidos com a finalidade de manter o nível de fluido entre um nível mínimo e máximo predeterminado. Os monitores de concentração podem proporcionar uma realimentação quanto à concentração de componentes na saída de fluidos a partir do tanque e podem ajustar as taxas de vazão do fluido e/ou o tempo de permanência do fluido no tanque, conforme a necessidade, para se obter uma concentração desejada de um componente particular em uma saída particular de fluidos. Pode-se utilizar um sensor de gás dissolvido para monitorar o nível de gás dissolvido presente no fluido no tanque e pode proporcionar uma realimentação com a finalidade de ajustar a vazão de fluido a partir de uma bomba de flutuação de gás dissolvido no tanque conforme a necessidade.

O sistema e o controlador de uma ou mais modalidades da invenção proporcionam uma unidade versátil dotada de múltiplos modos de operação, que podem responder a múltiplas entradas com a finalidade de aumentar a eficiência do sistema.

Pode-se implementar um controlador para o sistema da invenção utilizando-se um ou mais sistemas computacionais 600 conforme mostrado de maneira exemplificadora na Figura 7. O sistema computacional 600 pode ser, por exemplo, um computador para propósitos gerais, tais como os baseados em um processador Intel PENTIUM®, um processador Motorola PowerPC®, um processador Hewlett-Packard PA-RISC®, um processador Sun UltraSPARC®, ou qualquer outro tipo de processador ou combinação dos mesmos. Alternativamente, o sistema computacional pode incluir um hardware especialmente programado para propósitos especiais, por exemplo, um circuito integrado de aplicação especifica (ASIC) ou controladores destinados a sistemas de tratamento de água.

O sistema computacional 600 pode incluir um ou mais processadores 602 tipicamente conectados a um ou mais dispositivos de memória 604, que podem compreender, por exemplo, uma ou mais entre uma memória de disco rígido, um dispositivo de memória flash, um dispositivo de memória RAM, ou outros dispositivos que sirvam para armazenar dados. O sis tema computacional 600 pode compreender uma rede neural. Tipicamente, a memória 604 é usada para armazenar programas e dados durante a operação do sistema computacional 600. Por exemplo, a memória 604 pode ser usada para armazenar dados históricos referentes aos parâmetros durante um período de tempo, assim como dados operacionais. O software, incluindo o código de programação que implementa as modalidades da invenção, pode ser armazenado em um meio de gravação não-volátil legível e/ou gravável por computador (discutido mais adiante em relação à Figura 8), e, então, tipicamente copiado na memória 604, em que o mesmo pode, então, ser executado pelo processador 602. Esse código de programação pode ser gravado em uma pluralidade de linguagens de programação, por exemplo, Java, Visual Basic, C, C#, ou C++, Fortran, Pascal, Eiffel, Basic, COBAL, ou qualquer entre uma variedade de combinações das mesmas.

Os componentes do sistema computacional 600 podem ser acoplados através de um ou mais mecanismos de interconexão 606, que podem incluir um ou mais barramentos (por exemplo, entre os componentes que são integrados em um mesmo dispositivo) e/ou uma rede (por exemplo, entre os componentes que residem em dispositivos discretos separados). Tipicamente, o mecanismo de interconexão permite que comunicações (por exemplo, instruções de dados) sejam trocadas entre os componentes do sistema 600.

O sistema computacional 600 também pode incluir um ou mais dispositivos de entrada 608, por exemplo, um teclado, mouse, trackball, microfone, tela sensível ao toque, e outros dispositivos de interface homemmáquina, assim como dispositivos de saída 610, por exemplo, um dispositivo de impressão, uma tela de exibição, ou alto-falante. Além disso, o sistema computacional 600 pode conter uma ou mais interfaces (não mostradas) que podem conectar o sistema computacional 600 a uma rede de comunicação (além ou como uma alternativa à rede que pode ser formada por um ou mais componentes do sistema 600).

De acordo com uma ou mais modalidades da invenção, um ou mais dispositivos de entrada 608 podem incluir sensores que servem para medir os parâmetros do sistema e/ou componentes do mesmo. Alternativamente, sensores, válvulas dosificadoras e/ou bombas, ou todos esses componentes podem ser conectados a uma rede de comunicação (não mostrada) que é operacionalmente conectada ao sistema computacional 600. Qualquer um dos componentes anteriores pode ser acoplado a outro sistema ou componente computacional de modo a se comunicar com o sistema computacional 600 através de uma ou mais redes de comunicação. Essa configuração permite que qualquer sensor ou dispositivo gerador de sinal seja localizado a uma distância significativa a partir do sistema computacional e/ou permitir que qualquer sensor seja localizado a uma distância significativa a partir de qualquer subsistema e/ou controlador, enquanto ainda proporciona dados entre os mesmos. Esses mecanismos de comunicação podem ser afetados utilizando-se qualquer técnica adequada que inclui, mas não se limita a, técnicas que utilizam protocolos sem fio.

Conforme mostrado de maneira exemplificadora na Figura 8, um controlador de sistema pode incluir um ou mais meios de armazenamento computacional, tal como um meio de gravação não-volátil legível e/ou gravável 702 no qual os sinais podem ser armazenados de modo que definam um programa a ser executado por um ou mais processadores 602. O meio 702 pode, por exemplo, ser uma memória de disco ou memória flash. Na operação típica, o processador 602 pode fazer com que os dados, tal como o código que implementa uma ou mais modalidades da invenção, sejam lidos a partir do meio de armazenamento 702 em uma memória 704 que permite um acesso mais rápido às informações através de um ou mais processadores em relação ao meio 702. A memória 704 consiste, tipicamente, em uma memória de acesso aleatório volátil, tal como uma memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM) ou memória estática (SRAM) ou outros dispositivos adequados que facilitem a transferência de informações para e a partir de um processador 602.

Muito embora o sistema computacional 600 seja mostrado por meio de um exemplo como um tipo de sistema computacional no qual se podem praticar vários aspectos da invenção, deve-se avaliar que a invenção não se limita a ser implementada em software, ou no sistema computacional conforme mostrado de maneira exemplificadora. De fato, em vez de ser implementada, por exemplo, em um sistema computacional para propósitos gerais, o controlador, ou componentes ou subseções dos mesmos, pode, alternativamente, ser implementado como um sistema dedicado ou um controlador lógico programável dedicado (PLC) ou em um sistema de controle distribuído. Além disso, deve-se avaliar que um ou mais recursos ou aspectos da invenção podem ser implementados em software, hardware ou firmware, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, um ou mais segmentos de um algoritmo executado pelo controlador podem ser realizados em computadores separados, que podem, sucessivamente, estar em comunicação através de uma ou mais redes.

EXEMPLO:

Realizou-se um teste de eficácia de remoção de um tanque que compreende uma zona de geração de vórtice de acordo com um aspecto da invenção. Referindo-se à Figura 9, a zona de geração de vórtice tinha um ângulo de parede Θ igual a 9^o em relação a um eixo geométrico vertical, um diâmetro de base Dl igual a 68,58 cm (27 pol), um diâmetro de abertura superior D2 igual a 44,45 cm (17,5 pol) e uma altura Hl igual a 76,2 cm (30 pol). O tanque tinha duas entradas para fluidos separadas cerca de 180° entre si alimentadas por uma bomba de circulação e duas entradas para gases separadas cerca de 180° entre si alimentadas com ar dissolvido em água por uma bomba de flutuação de gás dissolvido (bomba DGF). Cada entrada para fluidos foi alternativamente separada aproximadamente 90° a partir de cada entrada para gases. As entradas para gases e as entradas para fluidos estavam posicionadas próximas a um plano que passa através da área em corte transversal mais larga do tanque. As entradas para fluidos estavam anguladas em 1,2° acima de um eixo geométrico horizontal, enquanto as entradas para gases estavam posicionadas em uma posição aproximadamente horizontal. Todas as entradas foram construídas de modo a introduzirem água oleosa e/ou água contendo ar dissolvido no tanque de maneira substancialmente tangente à parede interna em seu ponto de entra36 da.

O volume da zona de geração de vórtice do tanque usado era de 193 litros (51 galões), e o volume da zona de coleta de sólidos era de 53 litros (14 galões).

O tanque externo no qual a zona de geração de vórtice foi alojada incluía duas entradas para gases separadas cerca de 180° estendendose na zona de separação perpendicular à parede do tanque, e anguladas para cima em 45° a partir de um eixo geométrico horizontal.

A água oleosa a ser separada e a água com ar dissolvido foram introduzidas no tanque em várias taxas de vazão. A água oleosa foi produzida adicionando-se 110 ppm de óleo bruto com grau de gravidade 37 API em água potável introduzida na zona de geração de vórtice. A taxa de fluxo para a água oleosa a partir da bomba de circulação variou de cerca de 189 e 567 litros/minuto (50 e 150 galões/minuto) e a taxa de fluxo da água com ar dissolvido variou de cerca de 227 e 359 litros/minuto (60 e 95 galões/minuto). Mediu-se a eficiência de remoção do petróleo a partir da água. A quantidade de petróleo introduzido na água para gerar a água oleosa variou de cerca de 60 a cerca de 115 ml/minuto utilizando-se uma bomba de injeção de petróleo, a quantidade de petróleo introduzido na entrada do sistema, situado próximo ao tanque externo, na zona de geração de vórtice aumentou com o aumento da taxa de fluxo da bomba de circulação. Recolheram-se 14 pontos de dados de acordo com os critérios experimentais de projeto de compósito central. Os resultados foram mostrados na tabela 1 e são ilustrados graficamente na Figura 10 e na Figura 11.

Tabela 1

Eficiência Percentual

29,54

25,42

59,64

80,13

79,32

64,11

53,38

73,59 I

55,36

50,86

67,49

42,34

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Tabela 1 (continuação)

Eficiência Percentual	46,76	41,04
Teor Total de Petróleo na Saída (PPm)	74	102
Teor Total de Petróleo na Entrada (ppm)	139	173
Injeção de Petróleo (ml/min)	97,10	87,71
Razão entre as Bombas Cir/DFG	0,98	1,57
Total (GPM)	125,00	232,00
Centrífuga (GPM)	62,00	142,00
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------, Bolhas (GPM)	63,00	90,00
Ordem de Execução	CO v-	φ-

A Figura 10 mostra uma metodologia superficial de resposta (RSM) compatível aos dados provenientes do experimento de projeto compósito central (CCD). A equação da superfície compatível na Figura 10 é:

Y = -76,92 + 2,14*X1 + 1,14*X2 - 0,019*X1*X2

Nesta equação, Y é o percentual de eficiência de remoção, X1 é a taxa de fluxo da bomba DGF em galões/min e X2 é a taxa de fluxo da bomba de circulação em galões/min. Portanto, a Figura 10 consiste em um gráfico superficial tridimensional da eficiência de remoção de petróleo correspondente aos fluxos tanto da bomba de circulação que introduziu a água oleosa como da bomba DGF que introduzir o ar dissolvido em água. Conforme se pode observar a partir da do gráfico de Metodologia Superficial de Resposta (RSM), a Figura 10, a eficiência de remoção de petróleo aumentou, em geral, com maiores taxas de entrada da bomba DGF, e com menores taxas de entrada da bomba de circulação.

Sem se ater a uma teoria particular, acredita-se que esses resultados reflitam que a eficiência de remoção de petróleo aumenta com quantidades aumentadas de bolhas de ar introduzidas na água oleosa através da bomba DGF. A quantidade aumentada de bolhas de ar permitiu que mais bolhas de ar entrassem em contato com mais petróleo e levou, de maneira eficaz, este petróleo ao topo do tanque para ser removido.

A Figura 11 é um gráfico de contorno da eficiência de remoção de petróleo correspondente às vazões tanto da bomba de circulação que introduziu a água oleosa como da bomba DGF que introduziu a ar dissolvido em água. Este gráfico consiste em uma representação bidimensional do gráfico superficial da Figura 10, observado por cima ao longo de uma linha paralela com a eficiência ou eixo geométrico Y. Novamente, conforme pode ser observado a partir do gráfico, a eficiência de remoção de petróleo aumentou, em geral, com maiores taxas de entrada da bomba DGF, e com menores taxas de entrada da bomba de circulação. No entanto, em maiores taxas de vazão da bomba de circulação, isto é, acima de 473 litros/minuto (125 galões/minuto), a eficiência de remoção de petróleo caiu com a taxa de fluxo DGF crescente.

Conforme observado na Figura 11, se as taxas de vazão combinadas da bomba de circulação e da bomba DGF se tornarem muito altas (a região superior direita da Figura 11), a eficiência de remoção de petróleo diminui. Sem se ater a uma teoria particular, acredita-se que esta queda na eficiência de remoção indica que uma taxa de fluxo muito alta de líquido através do tanque pode diminuir o tempo de permanência do fluido na zona de geração de vórtice e/ou reduzir o tempo de contato entre bolhas de argotículas de petróleo até um ponto no qual não exista mais tempo de permanência suficiente nem tempo de contato para contato suficiente entre a água oleosa e as bolhas de ar.

A Figura 11 também mostra um ponto correspondente a uma eficiência de remoção de petróleo de 50%. Este ponto foi determinado através de interseção de um plano correspondente a uma eficiência de remoção de petróleo de 50% com o gráfico superficial da Figura 10. Conforme ilustrado na Figura 11, este ponto corresponde a uma taxa de fluxo da bomba se circulação de aproximadamente 101 GPM e uma taxa de fluxo da bomba DGF de aproximadamente 76 GPM resultando em uma razão entre a taxa de fluxo da bomba de circulação e a taxa de fluxo da bomba DGF de aproximadamente 1,33. Os pontos na Figura 11 com uma razão entre a taxa de fluxo da bomba de circulação e a taxa de fluxo da bomba DGF (isto é, pontos descendentes e/ou à direita do ponto específico na Figura 11) resultaram em maiores eficiências de remoção de petróleo. Portanto, se uma eficiência de remoção média de 50% for definida como uma eficiência operacional mínima aceitável em um determinado tempo de permanência ou tempo de contato, um dispositivo, tal como o dispositivo a partir do qual se obtiveram os dados na Figura 10 e na Figura 11, pode ser executado com uma razão entre a taxa de fluxo da bomba de circulação e a taxa de fluxo da bomba DGF igual a 1,33 ou menor.

As razões operacionais desejáveis entre a taxa de fluxo da bomba de circulação e a taxa de fluxo da bomba DGF para outros aparelhos de acordo com as modalidades da presente invenção podem se determinadas de maneira similar conforme mostrado anteriormente, ou podem se basear em uma similitude dinâmica de qual protótipo de tamanho e o modelo de corrente.

Portanto, uma vez descritos vários aspectos de ao menos uma modalidade desta invenção, deve-se avaliar que várias alterações, modifica5 ções e aperfeiçoamentos ocorrerão prontamente aos indivíduos versados na técnica.

Por exemplo, em determinadas modalidades, pode-se operar um tanque de separação sem uma parede externa 102, material coalescente 128 ou uma zona de separação 116. As paredes 112 da zona de geração de 10 vórtice podem servir com as paredes externas do tanque.

Em modalidades alternativas, o tanque pode incluir uma parede externa 102 e uma zona de separação 116, porém, em operação, o nível de fluido pode ser mantido abaixo da extremidade superior da zona de geração de vórtice, e o fluido será diretamente removido a partir da zona de geração 15 de vórtice.

Pretende-se que essas alterações, modificações e aperfeiçoamentos façam parte da descrição, e se pretende que estejam no espírito e escopo da invenção. Consequentemente, a descrição anterior e os desenhos servem apenas à guisa de exemplos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho destinado à separação de uma mistura de fluidos, compreendendo:

um tanque (100);

uma zona de geração de vórtice (114) dotada de uma parede afunilada (112) posicionada no interior do tanque (100), em que a zona de geração de vórtice (114) tem uma extremidade superior e uma extremidade inferior, sendo que a extremidade superior tem uma área em corte transversal menor que a área em corte transversal da extremidade inferior, sendo que zona de geração de vórtice (114) é construída e disposta com a finalidade de direcionar a mistura de fluidos para cima;

uma entrada para fluidos (126) na porção inferior da zona de geração de vórtice (114), para introduzir a mistura de fluídos na porção inferior da zona de geração de vórtice (114), a entrada (126) se estendendo para dentro da zona de geração de vórtice em um ângulo tendo um componente tangente a uma parede interna da zona de geração de vórtice (114) em um ponto na parede interna próximo à entrada para fluidos (126), sendo que a mistura de fluídos sobe através da zona de geração de vórtice (114) a medida que a seção transversal da zona de geração de vórtice (114) diminui;

uma saída para fluidos (120) conectada, de maneira fluidica, ao tanque (100); e uma entrada para gases (124) que se estende na zona de geração de vórtice (114), caracterizado pelo fato de que a entrada de gás (124) na zona de geração de vórtice (114) se encontra em um ângulo entre 0 e 45° acima de um eixo horizontal, ou abaixo de um eixo horizontal.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede afunilada (112) compreende um ângulo que serve para aumentar uma velocidade rotacional de uma mistura de fluidos que flui através da zona de geração de vórtice (114), dito ângulo abrangendo de aproximadamente 5 e 10 graus do eixo vertical.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo

Petição 870180130440, de 14/09/2018, pág. 4/13 fato de que a entrada para fluidos (126) se estende na zona de geração de vórtice (114) em um segundo ângulo com a finalidade de induzir um fluxo ascendente de uma mistura de fluidos em que o segundo ângulo varia de maior que zero a cerca de dez graus acima de um plano horizontal.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um separador preliminar posicionado entre uma fonte de mistura de fluidos e a entrada para fluidos (126).

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a zona de geração de vórtice (114) é definida por uma parede conformada como um cone truncado invertido.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a saída para fluidos (120) é posicionada acima de uma região central da zona de geração de vórtice (114).

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a saída para fluidos (120) compreende, ainda, uma saída frente a frente.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma zona de coleta de sólidos (130) posicionada abaixo da zona de geração de vórtice (114) e em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice (114).

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada para fluidos (126) fica posicionada próxima a uma região da zona de geração de vórtice (114) tendo uma área em corte transversal maior (134).

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma pluralidade de entradas para fluidos (126) em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice (114).

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de entradas para fluidos (126) está aproximadamente espaçada, de maneira uniforme, ao redor de uma periferia da zona de geração de vórtice (114).

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado

Petição 870180130440, de 14/09/2018, pág. 5/13 pelo fato de que a pluralidade de entradas para fluidos (126) fica posicionada próxima a uma região da zona de geração de vórtice (114) que tem uma área em corte transversal maior (134).

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma pluralidade de entradas para gases (124) em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice (114), sendo que a pluralidade de entradas para gases (124) e a pluralidade de entradas para fluidos (126) estão alternadas e aproximadamente espaçadas, de maneira uniforme, ao redor de um perímetro da unidade de geração de vórtice.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma ou mais entradas para gases (124) em comunicação fluídica com a zona de geração de vórtice (114).

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais entradas para gases (124) estão aproximadamente espaçadas, de maneira uniforme, ao redor de um perímetro da unidade de geração de vórtice (114).

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais entradas para gases (124) ficam posicionadas próximas a uma região da zona de geração de vórtice (114) que tem uma área em corte transversal maior (134).

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais entradas para gases (124) ficam posicionadas abaixo de um plano horizontal definido pela entrada para fluidos (126) que se estende para dentro da zona de geração de vórtice (114).

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a uma ou mais entradas para gases (122, 124) ficam posicionadas acima de um plano horizontal definido pela entrada para fluidos (126) que se estende para dentro da zona de geração de vórtice (114).

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um gerador de bolhas de gás em comunicação fluida com pelo menos uma da pluralidade de entradas para gaPetição 870180130440, de 14/09/2018, pág. 6/13 ses (124).

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o gerador de bolhas de gás compreende uma bomba de flutuação de gás dissolvido.

21. Método de separação de uma mistura de fluidos, realizado em um aparelho como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 20, compreendendo, proporcionar uma mistura de fluidos compreendendo um primeiro componente e um segundo componente, o primeiro componente tendo uma densidade diferente da densidade do segundo componente;

prover uma zona de geração de vórtice (114) dotada de uma parede afunilada (112) posicionada no interior do tanque (100), a zona de geração de vórtice (114) tendo uma extremidade superior e uma extremidade inferior, sendo que a extremidade superior tem uma área em corte transversal menor que a área em corte transversal da extremidade inferior, sendo que zona de geração de vórtice (114) é construída e disposta com a finalidade de direcionar a mistura de fluidos para cima;

introduzir a mistura de fluidos na porção inferior da zona de geração de vórtice (114) por meio de uma entrada de fluído se estendendo na zona de geração de vórtice (114) em um ângulo tendo uma componente tangente a uma parede interna da zona de geração de vórtice (114) em um ponto da parede interna próxima da entrada de fluído;

induzir o fluxo ascendente da mistura de fluidos na zona de geração de vórtice (114), sendo que a mistura de fluídos sobe através da zona de geração de vórtice (114) a medida que a seção transversal da zona de geração de vórtice (114) se reduz;

transmitir um momento rotacional confinado ao primeiro componente e ao segundo componente na zona de geração de vórtice (114);

introduzir gás na mistura de fluidos na zona de geração de vórtice (114) por meio uma entrada de gás se estendendo para dentro da zona de geração de vórtice (114), caracterizado pelo fato de que a entrada de gás (124) na zona

Petição 870180130440, de 14/09/2018, pág. 7/13 de geração de vórtice (114) se encontra em um ângulo entre 0 e 45° acima de um eixo horizontal, ou abaixo de um eixo horizontal;

liberar o momento rotacional confinado da mistura de fluidos para formar uma primeira zona compreendendo a mistura de fluidos rica no primeiro componente e uma segunda zona compreendendo a mistura de fluidos rica no segundo componente; e descarregar ao menos uma porção da mistura de fluidos rica no primeiro componente a partir de uma primeira saída para fluidos (120) do tanque (100) acima da extremidade superior da zona de geração de vórtice (114).

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente tem uma densidade maior que a densidade do segundo componente.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente compreende água e o segundo componente compreende um hidrocarboneto.

24. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que introduzir gás na mistura de fluidos compreende introduzir um fluido que compreende gás dissolvido na mistura de fluidos.

25. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que introduzir um fluido compreendendo gás dissolvido na mistura de fluidos compreende introduzir o fluido compreendendo gás dissolvido em múltiplos pontos na zona de geração de vórtice (114).

26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que introduzir a mistura de fluidos na zona de geração de vórtice (114) compreende introduzir a mistura de fluidos através de ao menos uma entrada para fluidos (126) em uma direção tangencial a uma parede interna da zona de geração de vórtice (114) próxima à entrada para fluidos (126).

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que introduzir a mistura de fluidos na zona de geração de vórtice (114) compreende introduzir a mistura de fluidos através de ao menos uma entrada para fluidos (126) em uma direção angulada para cima.

Petição 870180130440, de 14/09/2018, pág. 8/13

28. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, difundir um material coalescente (128) posicionado em uma zona de separação (116) externa à zona de geração de vórtice (114) com um gás.

5 29. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, reduzir a turbulência em uma zona de separação (116) externa à zona de geração de vórtice (114).