Separador ciclónico con dos salidas de gas y procedimiento de separación.

Un separador ciclónico para separar partículas de una mezcla de gas y partículas, comprendiendo dicho separador ciclónico:

- una cámara de separación

(1) en la que las partículas son separadas del gas;

- una entrada configurada para proporcionar la mezcla de partículas y gas a la cámara de separación;

- una salida de gas de flujo inverso (2) posicionada para recibir una parte del gas, de la cual se han separado las partículas, desde la cámara de separación, habiendo sido la dirección de esta parte del gas invertida en la cámara de separación, y donde la salida de gas de 10 flujo inverso se extiende hasta el interior de la cámara de separación para aspirar el gas separado desde el interior de la cámara de separación; y

- una salida de gas de flujo unidireccional (3) posicionada para recibir otra parte del gas, de la cual han sido separadas las partículas, desde la cámara de separación, donde la dirección de esta parte del gas no ha sido invertida en la cámara de separación,

caracterizado porque:

el área de flujo de la salida de gas de flujo inverso es mayor que el área de flujo de la salida de gas de flujo unidireccional, de modo que, en funcionamiento, el caudal másico de gas que sale a través de la salida de gas de flujo inverso es mayor que el caudal másico de gas que sale a través de la salida de gas de flujo unidireccional.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2010/001022.

Solicitante: PETROLEO BRASILEIRO S.A. PETROBRAS.

Nacionalidad solicitante: Brasil.

Dirección: AVENIDA REPUBLICA DO CHILE NO 65 RIO DE JANEIRO BRASIL.

Inventor/es: MICHELAN,Rogério, HUZIWARA,WILSON KENZO, DOS SANTOS,CELSO MURILO, SANDES,EMANUEL FREIRE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > APARATOS O MAQUINAS CENTRIFUGAS UTILIZADAS PARA LOS... > APARATOS QUE UTILIZAN EL VORTICE LIBRE, p. ej. CICLONES... > Aparatos en los que la dirección axial del vórtice... > B04C5/13 (formada como un captador de vórtice, y extendiéndose hacia el interior de la cámara del vórtice; Evacuación del visor del vórtice de forma distinta que por la parte alta del ciclón; Dispositivos de control de la evacuación de la fase ligera)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > APARATOS O MAQUINAS CENTRIFUGAS UTILIZADAS PARA LOS... > APARATOS QUE UTILIZAN EL VORTICE LIBRE, p. ej. CICLONES... > Aparatos en los que la dirección axial del vórtice... > B04C5/14 (Estructura de la guía para la fase pesada; Estructura del ápex; Disposición de la evacuación)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > APARATOS O MAQUINAS CENTRIFUGAS UTILIZADAS PARA LOS... > APARATOS QUE UTILIZAN EL VORTICE LIBRE, p. ej. CICLONES... > Aparatos en los que la dirección axial del vórtice... > B04C3/06 (Estructuras de las entradas y salidas de la cámara donde se produce el vórtice)

PDF original: ES-2538831_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Separador ciclónico con dos salidas de gas y procedimiento de separación.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a equipos y procedimientos para separar partículas sólidas de suspensiones de gas y partículas. Más en particular, la invención se refiere a separadores ciclónicos, en los que una componente de fuerza tangencial se imparte a la suspensión de gas y partículas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Separadores ciclónicos de varias formas estructurales diferentes se usan en diversos aparatos para separar impurezas contenidas en fluidos gaseosos, tales como partículas sólidas o polvo, gotas de líquidos o material similar. 15

Los separadores ciclónicos también se usan ampliamente para separar y extraer partículas del aire o de gases de proceso. También se usan como reactores químicos, intercambiadores de calor y para secar materiales granulares y la combustión de fuel. En las refinerías de petróleo, se usan para garantizar la continuidad del proceso para obtener productos, retener un catalizador e impedir su emisión a la atmósfera, impidiendo que se produzcan pérdidas y 2 polución, con el fin de garantizar la continuidad del proceso. La gran aplicabilidad de los separadores ciclónicos se debe, al menos en parte, a su bajo coste de funcionamiento, su fácil mantenimiento y la posibilidad de soportar duras condiciones de presión y temperatura.

Los separadores ciclónicos pueden usarse en varias disposiciones diferentes, en serie o en paralelo. En algunos 25 procesos, todo el fluido gaseoso producido, denominado en lo sucesivo suspensión de gas y partículas, pasa por el separador. En otros procesos, los separadores ciclónicos pueden usarse como parte de un sistema de limpieza de gas residual.

Las partículas se separan mediante un proceso de centrifugación de la suspensión de gas y partículas. Este 3 fenómeno se produce con la inducción de un flujo vortical dentro del separador ciclónico debido a la importante componente de fuerza tangencial con la que la suspensión entra en la cámara ciclónica, que tiene generalmente una forma cónica-cilíndrica. Al tener una mayor densidad que los gases, las partículas sólidas tienden más a permanecer en la trayectoria perpendicular al flujo vortical, debido a la fuerza centrífuga, y, por tanto, chocan con las paredes de la cámara. Con las colisiones, las partículas pierden velocidad y tienden a separarse del flujo, cayendo hacia el 35 fondo de la cámara, desde donde se retiran. El gas separado es aspirado a través del conducto de salida del ciclón, después de haberse desplazado varias revoluciones a través de la cámara y en una curva con un ángulo pronunciado hacia el conducto de salida en la parte superior.

Los separadores ciclónicos de suspensiones de gas y partículas son generalmente del tipo de flujo inverso, que son 4 los más convencionales para este tipo de separación. Sin embargo, también se usan ciclones de flujo unidireccional, principalmente en aplicaciones en las que la concentración de partículas en la suspensión es baja.

En ciclones de flujo inverso, el conducto de salida de gas, denominado normalmente buscador o tubo de vórtice, está fijado y situado en la parte superior del ciclón. Durante el funcionamiento, es necesaria la inversión total del flujo 45 vortical del gas para que sea aspirado por el conducto de salida.

En ciclones de flujo unidireccional (conocidos también como ciclones "uniflujo"), el conducto de salida de gas está situado en la parte inferior del separador ciclónico, no siendo necesario por tanto la inversión del flujo vortical.

El separador de flujo unidireccional tiene normalmente una longitud de zona de separación más corta que la de un separador con flujo inverso, siendo esta la razón por la que el separador de flujo unidireccional solo es eficaz normalmente en suspensiones de gas y partículas con bajas concentraciones de sólidos.

Aunque la zona de separación del separador de flujo inverso es mayor, la zona de inversión de flujo es la región en 55 la que se produce la mayor pérdida de eficacia de recogida del separador ciclónico, debido a la inestabilidad existente en el vértice de inversión de flujo, que es el momento en que el flujo vortical se invierte, pasando de descender a ascender. Esto da como resultado desplazamientos laterales del flujo vortical, lo que provoca el arrastre de sólidos previamente separados y la erosión de las paredes del separador ciclónico.

La patente US 4.238.21 da a conocer un separador ciclónico unidireccional que comprende un conducto intemo, que forma una trayectoria de flujo, con un cuerpo central dotado de álabes que extienden hacia fuera y que generan remolinos. El conducto está contenido en una cámara de recogida y los álabes presentan extremos de recogida y canales que se abren a través de la pared del conducto hacia el interior de la cámara de recogida. Aguas abajo de 5 los álabes de generación de remolinos hay ranuras de salida que son transversales al flujo de gas.

Al igual que los otros separadores ciclónicos unidireccionales, este equipo solo es eficaz en suspensiones con bajas concentraciones de partículas.

La solicitud de patente PI8351-, a nombre del solicitante, da a conocer un separador ciclónico y un procedimiento de separación de gas y partículas con dos zonas de separación en secuencia, una con flujo inverso en la que se separa una parte del gas de la suspensión de gas y partículas con una alta concentración de sólidos, y una posterior zona de separación de flujo unidireccional en la que se separa la otra parte del gas de la suspensión, con una baja concentración de sólidos.

El separador ciclónico está dotado de dos conductos de salida, uno sujetado de manera axial a la parte superior y otro sujetado de manera axial a la parte inferior, generando las zonas de separación de flujo inverso y de flujo unidireccional, respectivamente.

En el documento WO 21/197 A1 se da a conocer otro separador ciclónico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, así como un procedimiento de separación de partículas de una mezcla de gas y partículas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 12.

El aparato y procedimiento descritos posteriormente presentan ventajas para la separación de suspensiones de gas 25 y partículas, usando ciclones de flujo inverso, con respecto a los dispositivos y procedimientos conocidos de la técnica anterior; por ejemplo, el aparato y procedimiento descritos posteriormente impiden los problemas de la pérdida de eficacia de recogida y la erosión en la región de la inversión del flujo vortical cuando pasa de descender a ascender.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a un separador ciclónico para una suspensión de gas y partículas. La invención también se refiere a un procedimiento de separación en el que se usa un separador como el descrito en el presente documento. Cuando en el presente documento se hace cualquier referencia a una "partícula", ésta puede ser, a modo de 35 ejemplo no limitativo, una partícula líquida o una partícula sólida. Por tanto, una mezcla o suspensión de gas y partículas puede ser una mezcla o suspensión de gas y sólido, una mezcla o suspensión de gas y líquido, o una mezcla o suspensión de gas, sólido y líquido.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un separador ciclónico para separar partículas de una 4 mezcla de gas y partículas, de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con una realización, en funcionamiento, el caudal másico de gas que sale a través de la salida de gas de flujo inverso supera el 7% del caudal másico total de gas que sale del separador ciclónico.

De acuerdo con una realización,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un separador ciclónico para separar partículas de una mezcla de gas y partículas, comprendiendo dicho separador ciclónico:

- una cámara de separación (1) en la que las partículas son separadas del gas;

- una entrada configurada para proporcionar la mezcla de partículas y gas a la cámara de separación;

- una salida de gas de flujo inverso (2) posicionada para recibir una parte del gas, de la cual se han separado las partículas, desde la cámara de separación, habiendo sido la dirección de esta parte del gas invertida en la

cámara de separación, y donde la salida de gas de flujo inverso se extiende hasta el interior de la cámara de

separación para aspirar el gas separado desde el interior de la cámara de separación; y

- una salida de gas de flujo unidireccional (3) posicionada para recibir otra parte del gas, de la cual han sido separadas las partículas, desde la cámara de separación, donde la dirección de esta parte del gas no ha sido invertida en la cámara de separación,

caracterizado porque:

el área de flujo de la salida de gas de flujo inverso es mayor que el área de flujo de la salida de gas de flujo unidireccional, de modo que, en funcionamiento, el caudal másico de gas que sale a través de la 2 salida de gas de flujo inverso es mayor que el caudal másico de gas que sale a través de la salida de

gas de flujo unidireccional.

2. Un separador ciclónico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:

en funcionamiento, el caudal másico de gas que sale a través de la salida de gas de flujo inverso supera el

7% del caudal másico total de gas que sale del separador ciclónico; o

en funcionamiento, el caudal másico de gas que sale a través de la salida de gas de flujo inverso supera el 95% del caudal másico total de gas que sale del separador ciclónico.

3. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

el diámetro de la salida de gas de flujo unidireccional es inferior al 3% del diámetro de la salida de gas de flujo inverso; y/o

el diámetro de la salida de gas de flujo unidireccional está en un intervalo comprendido entre el 1% y el 5% 35 del diámetro de la salida de gas de flujo inverso.

4. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

la forma de una sección transversal de la salida de gas de flujo inverso perpendicular a la dirección de flujo de 4 gas es circular; y/o

la forma de una sección transversal de la salida de gas de flujo unidireccional perpendicular a la dirección de flujo de gas es circular; y/o

la salida de gas de flujo unidireccional se extiende hasta el interior de la cámara de separación para aspirar gas separado desde el interior de la cámara de separación; y/o 45 el separador ciclónico comprende además una salida de sólidos configurada para permitir que partículas, que

han sido separadas del gas, salgan de la cámara de separación, donde las salidas de sólidos están alineadas opcionalmente con la salida de gas de flujo unidireccional.

5. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al 5 menos una parte de la cámara de separación presenta una línea central axial, y la entrada o bien:

es sustancialmente paralela a la línea central axial; es sustancialmente perpendicular a la línea central axial; o forma una espiral alrededor de la línea central axial.

6. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

al menos una parte de la cámara de separación presenta una línea central axial, y la entrada está desplazada con respecto a la línea central axial; y/o

al menos una parte de la pared interna de la cámara de separación es frustocónica.

7. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una segunda entrada configurada para permitir que la mezcla de partículas y gas entre en la

cámara de separación;

en el que, opcionalmente, al menos una parte de la cámara de separación presenta una línea central axial, y la segunda entrada o bien:

es sustancialmente paralela a la línea central axial;

es sustancialmente perpendicular a la línea central axial; o

forma una espiral alrededor de la línea central axial.

8. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

la cámara de separación tiene un extremo de entrada;

la entrada y la salida de gas de flujo inverso están previstas en dicho extremo de entrada; y

la salida de gas unidireccional está prevista en un extremo de la cámara de separación que es opuesto al

extremo de entrada.

9. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

el gas sale de la salida de gas de flujo inverso en una primera dirección de flujo de salida; y

el gas sale de la salida de gas de flujo unidireccional en una segunda dirección de flujo de salida, donde la

primera dirección de flujo de salida es diferente de la segunda dirección de flujo de salida;

en el que, opcionalmente, la primera dirección de flujo de salida es sustancialmente opuesta a la segunda

dirección de flujo de salida.

1. Un separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una parte de la cámara de separación es radialmente simétrica en tomo a una línea central axial de la

cámara de separación; en el que, opcionalmente:

la salida de gas de flujo inverso comprende un conducto que tiene su línea central sustancialmente alineada con la línea central axial de la cámara de separación, y/o

la salida de gas de flujo unidireccional comprende un conducto que tiene su línea central sustancialmente

alineada con la línea central axial de la cámara de separación.

11. Un procedimiento para separar partículas de una mezcla de gas y partículas que usa el separador ciclónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1.

12. Un procedimiento para separar partículas de una mezcla de gas y partículas, comprendiendo dicho procedimiento:

- proporcionar la mezcla a una cámara de separación (1);

- invertir la dirección de flujo de una parte del gas;

- permitir que otra parte del gas continúe sin invertir su dirección de flujo;

- extraer la parte de gas cuya dirección no no ha sido invertida a través de una salida de gas de flujo unidireccional (3), donde la salida de gas de flujo inverso se extiende hasta el interior de la cámara de separación para aspirar gas separado desde el interior de la cámara de separación; y

- extraer la parte de gas cuya dirección ha sido invertida a través de una salida de gas de flujo inverso (2),

caracterizado porque:

el área de flujo de la salida de gas de flujo inverso es mayor que el área de flujo de la salida de gas de 55 flujo unidireccional, y el caudal másico de gas extraído a través de la salida de gas de flujo inverso es

mayor que el caudal másico de gas extraído a través de la salida de gas de flujo unidireccional.

13. Un procedimiento para separar partículas de una mezcla de gas y partículas de acuerdo con la reivindicación 12, en el que:

el caudal másico de gas extraído a través de la salida de gas de flujo inverso supera el 7% del caudal másico total de gas que sale del separador ciclónico; o

el caudal másico de gas extraído a través de la salida de gas de flujo inverso supera el 95% del caudal másico total de gas que sale del separador ciclónico.

14. Un procedimiento para separar partículas de una mezcla de gas y partículas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 y 13, en el que:

el gas que no ha sido extraído a través de la salida de gas de flujo inverso es extraído a través de la salida de 1 gas de flujo unidireccional; y/o

la posición en la que la dirección de flujo es invertida está dentro de la salida de gas de flujo unidireccional; y/o

la parte de gas extraída a través de la salida de gas de flujo inverso es extraída en una dirección sustancialmente opuesta a la parte de gas extraída a través de la salida de gas de flujo unidireccional; y/o 15 la etapa de separar la mezcla comprende separación centrífuga; y/o

el procedimiento comprende además extraer sólidos separados de la mezcla.

15. Un procedimiento para separar partículas de una mezcla de gas y partículas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la concentración de partículas en la mezcla proporcionada a la

cámara de separación es mayor que 1 gm"3.