CURSO Diseno Seleccion Separadores Parte 4b

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES

¾Dimensionamiento de Separadores Bifásicos Horizontales

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Capacidad de Gas. Diámetro del recipiente

⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0.5

donde: Vt : Velocidad terminal, ft/seg ρl : densidad del liquido (Lb/ft3) ρg : densidad del gas (Lb/ft3) dm : diámetro de la gota, micrones CD : Coeficiente de arrastre partícula, adimensional


24 3 CD = + + 0.34 0.5 Re Re

Re = 0.0049

donde: CD: Coeficiente de arrastre, adimensional Re: Numero de Reynolds. dm: diámetro de la gota, micrones rg : densidad del gas, lb/ft3 Vt : velocidad terminal, ft/seg µg : viscosidad del gas, cP

dmρ g Vt μg


Q=

Q ≈

Z x T x Ps Zs x Ts x P wg

ρg

Q A≈ vg

x

Qs

donde: Q = Flujo de Gas @ P,T (ft3/seg) Qs = Flujo de Gas a condiciones estándar. (ft3/seg) Z = Factor de Compresibilidad @ P,T T = Temperatura de Operación (ºR) P = Presión de Operación (psia) Zs = Factor de Compresibilidad estándar (=1) Ts = Temperatura estándar(ºR) Ps = Presión estándar (psia) ρg = Densidad del gas wg = Flujo másico de gas (lbs/seg) A = Área transversal (ft2) Vg = Velocidad del gas (ft/seg)


⎛ ZT ⎞ ⎛⎜ ⎛⎜ ρ g ⎞⎟ CD ⎞⎟ dL eff = 420⎜ ⎟Q g ⎜ ⎜ ⎝ P ⎠ ⎝ ⎝ ρl − ρ g ⎟⎠ dm ⎟⎠

0.5

donde: d : Diámetro interno del separador, pulg. Leff : Longitud efectiva del separador, pies. Qg : Flujo de gas, MMPCED. Z : Factor de compresibilidad a P y T, adimensional. T : Temperatura de operación, ºR P : Presión de operación, psia. ρg : Densidad del gas, Lb/ft3 ρl : Densidad del liquido, Lb/ft3 CD : Coeficiente de arrastre, adimensional. dm : Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Cálculo de tiempo de retención de líquido

2

d Leff

tr Ql = 0. 7

donde: d : Diámetro interno del separador, pulg. Leff : Longitud efectiva del separador, pies. Qw : Flujo de agua, BPD. trw : Tiempo de retención del agua, min. Qo : Flujo de crudo, BPD. tro : Tiempo de retención del crudo, min.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Consideraciones de diseño para el área

Agas Alíquid

50%

Area del recipiente: A= 2Agas

di ≈ 50%

4•A π

La longitud es calculada con un valor supuesto de L/d

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Verificación de diámetro de la zona de líquido

Volumen de Líquido “Hold-up”

Vl = volumen de líquido (ft3) Al = Área de liquido (ft2)

V l ≈ Al ⋅ L

L = Longitud (ft) trl = Tiempo “Hold-up”(min)

Agas

50%

Ql = Caudal de líquido (ft3/min)

Tiempo “Hold-up” Aliquido

50%

Vl t rl ≈ 60 ⋅ Q l

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Longitud de costura a costura y Relación de esbeltez Para capacidad de gas

d Lss = Leff + 12 Para capacidad de liquido

Relación de esbeltez donde:

(12 )L ss d

4 Lss = Leff 3

= entre 3 y 4

Lss : longitud costura-costura recipiente, pie. Leff : longitud efectiva recipiente, pie. d : diámetro del recipiente, pulg. Es necesario ajustar L para establecer la relación de esbeltez L/D entre 2.5 y 6. SI esto no es posible, habrá que ajustar d y repetir el proceso considerando el efecto de K

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Tiempos de retención típicos según la clasificación del crudo:

ºAPI

Tr (min)

> 40

1.5

25 < ºAPI < 40

3

< 25

5

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separador Bifásico 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Tamaño de Boquillas Para la estimación del tamaño de boquilla se utilizaran las siguientes ecuaciones:

vi < 30

ρm

v g < 60

ρg

donde: vi = velocidad de entrada de la boquilla, m/s vg = velocidad de gas de salida de la boquilla, m/s vl = velocidad de liquido de salida de la boquilla, m/s ρm = densidad de mezcla de entrada, kg/m3. ρg = densidad del gas, kg/m3.

vl < 1 m s


9Procedimiento para el Dimensionamiento de Separadores Bifásicos Horizontales

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 1. Calcular el valor dxLeff que satisfaga la capacidad de gas a través de la siguiente ecuación:

dLeff

⎛ ZT ⎞ ⎛⎜ ⎛⎜ ρ g = 420⎜ ⎟Qg ⎝ P ⎠ ⎜⎝ ⎜⎝ ρ l − ρ g

⎞ CD ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ dm ⎟ ⎠ ⎠

0.5

9 Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones. 9 Para el calculo del coeficiente de arrastre CD, se utiliza la formula:

24 3 CD = + + 0.34 0.5 Re Re

(1)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 9 Para calcular el numero de Reynolds de la gota se utiliza la formula:

Re = 0.0049

dmρ g Vt

(2)

μg

9 Y para calcular la Velocidad Terminal Vt se usa la formula:

⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0. 5

(3)

9 Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error (iteración).

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 9 Para calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento: a. Asuma un valor de CD. b. Calcular Vt de la formula (3). c. Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2). d. Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 2. Ya obtenido CD y el correspondiente valor de la expresión dxLeff, se elabora una tabla para diferentes valores de “d” y “Leff”. Adicionalmente, se calculan y tabulan diferentes longitudes costura a costura Lss, con la siguiente formula: d (pulg.) Leff (pie)

Lss = Leff

d + 12

Para Capacidad de Gas

Lss (pie)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 3. Para uno o varios tiempos de retención requeridos (de acuerdo al tipo de crudo y los procesos involucrados), calcular el valor de d2xLeff y efectuar combinaciones de valores de “d” y “Leff”. Se calcula la longitud costuracostura (Lss) y relación de esbeltez (Lss/d) para esas combinaciones, a través de las siguientes ecuaciones:

d Leff

tr Ql = 0.7

L ss =

4 L eff 3

2

tr (min) d (pulg.) Leff (pie) Lss (pie)* (12)Lss/d

Para Capacidad de Líquido *: Lss tabulado corresponde al mayor valor calculado entre las capacidades de gas y líquido

Relación de Esbeltez =

(12 ) Lss d

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 6. Para una mejor visualización del diseño, se pueden graficar los valores de “d” y “Leff” para el gas y para el tiempo de retención de líquido, asi como las líneas de relaciones de esbeltez optimas (3 y 4). Allí se podrá verificar más fácilmente los rangos donde se encuentra la mejor combinación de valores de “d” y “Leff” que cumplan con los requerimientos de proceso presentes. 7. Se selecciona un “d” y un “Lss” que satisfaga la capacidad de gas, el tiempo de retención requerido y la relación de esbeltez óptima (entre 3 y 4).

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Bifásicos 9Ejercicio Diseñar separadores verticales y horizontales, para un fluido con 2000 BPD de líquidos y 10 MMPCED de gas, a una presión de 1000 psia y una temperatura de 60 oF. Z=0.84.


DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Generalidades

Los separadores trifásicos son los comúnmente utilizados para separar tres fases: Aceite, Agua y Gas. Se pueden clasificar de acuerdo a la geometría en verticales y horizontales. Su selección dependerá de los requerimiento y especificaciones de los productos, así como las condiciones o estimación de producción durante la vida útil del campo.

Entre

los más conocidos figuran: •Separador de agua libre. •Separador de producción. •Tratador de aceite. •Tratador de agua.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Generalidades El agua en una corriente de la producción del petróleo crudo puede tomar varias formas como se muestra en la figura:

Agua

hw/h

ho he

Emulsion

% agua

hw

h

Petróleo

Tiempo La capa de agua va creciendo con el tiempo.


La producción de agua viene con el crudo generalmente en dos formas (libre y emulsionada). La capa de agua libre aparece en el fondo de los recipientes y crece con el tiempo como es demostrado en la curva. Después de cierto periodo, dependiendo del caso (entre 3 y 30 minutos) el cambio del nivel de agua es despreciable.

La fracción de agua decantada por gravedad es llamada agua libre. Lo mas recomendado es separar el agua antes que se convierta un problema y pase hacer una fase emulsionada.

Un buen diseño de un separador permitirá la separación de los fluidos provenientes del pozo: gas y dos tipos de líquidos: aceite y agua.


Los separadores de tres fases, tienen las mismas cuatro zonas de separación que los dos fases, el fluido entra por los deflectores o distribuidores produciendo la separación gas liquido por el cambio brusco de las velocidades.

Aquí viene un pequeña diferencia con los separadores de dos fases, que el diseño de los deflectores contiene un distribuidor que dirige el flujo de liquido debajo de la interfase crudo/agua. La razón de esto es promover la coalescencia de gotas de agua en el crudo, por el proceso llamado lavado de agua.

La segunda zona que es la zona de decantamiento por acción de la gravedad, aquí ocurre las separación de las tres fases, con la diferencia que algunos aceites contienen emulsiones en la fase oleica.


La tercera zona es la de coalescencia de gotas de liquido, para la cual se utiliza el eliminador o extractor de neblina.

La cuarta zona es la recolección de liquido, es donde existe la gran diferencia, el separador debe proporcional suficiente tiempo para que exista la separación de la fase liquida y que se forme una capa emulsionada en el tope.

A diferencia de los separadores de dos fases, los trifásicos contienen dos elementos importantes llamados cesto o balde y los vertederos. Los cuales vamos a discutir mas adelante.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal

Gravity Settling Section

+ Emulsion

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal Vertederos, Cestos y Tubo ascendente •La función de los cestos y vertederos (rebosadero) es eliminar la necesidad de colocar controladores de interfase liquidas. Esto es cuando hay un sobre llenado o un sobre flujo, los líquidos fluyen sobre los vertederos o rebosaderos, donde el control de nivel es un simple flotador. •La altura de los rebosadero o vertederos controla el nivel de liquido en los separadores. La diferencia de altura de los rebosaderos o vertederos de del crudo y agua controla el paso del crudo por la diferencia de densidades. •Es bastante critico para la operación del separador que la altura del rebosadero del agua este lo suficientemente por debajo del crudo, de tal manera que la columna de crudo genere suficiente tiempo de retención

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal 9Vertederos, Bucket and weir design Cestos y Tubo ascendente Fixed Weir

Spillover Weir

Bucket & Weir

Bucket and Riser

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal

9Diseño de vertedero y cesta

Vertedero Aceite

ho

h’w

Agua

hw

Aceite

Vertedero Agua

9Calculo de la altura

Δh = ho + hw - h’w Δh = h’o [ 1 – (ρo/ ρ w)] Where: Δh = Distancia abajo vertedero de aceite, pulg. ho = Altura colchón aceite, pulg. ρ o, ρ w = Densidades aceite/agua, lbm/ft3

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos

9Ejercicio Demostrar que Δh = h’o [ 1 – (ρo/ ρ w)] Siendo h’o = ho - hw

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal de Agua Libre PC m1g (gas)

m2g

m1l (oil+ water) wcl

xvg p1g

he

Emulsion

hw

Water

ho Oil m3l

LC m2w

m3g

To flare system

m2l, wc2

m1w

xvw

p2g

Only water to flush drum

Pw

LC Oil to 2nd Stage

Po

P atm

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal de Agua Libre (Flujo Dividido)

Oil Outlet

Gas

Gas

Outlet

Outlet

Fluid Inlet (Multiphase)

Water Outlet

Water Outlet

Oil Outlet

9 Ventajas: Reduce la velocidad del gas, mejorando la separación gas-liquido. Incrementa la capacidad de manejo de gas, sin incrementar el diámetro del separador. Recomendado para alta GOR.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal Térmico-Mecánico

Inlet Diverter

Sand Removal System

Fluid Inlet (Multiphase) Fire Tubes

Corrugated Plates

Gas Outlet Mist Extractor Coalescence Plates

Water Outlet

Oil Outlet

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal Tratador Electroestático

Fluid Inlet (Multiphase)

Gas Outlet

Oil Outlet

Free water Water Outlet Outlet (Electrostatic)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal con Tubos Vortex Vortex Tube at the inlet

Gas Outlet

Fluid Inlet

Water Outlet 9 Ventajas: Menor tamaño del equipo. Incrementa la eficiencia y la capacidad de un equipo existente. Reduce significamente el uso de químicos y anti espumantes. Fácil de instalar en equipos operando.

Oil Outlet

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical Pressure Control Valve Inlet Diverter

Gas Out Mist Extractor

Inlet

Chimney

Downcomer

Oil

Spreader Water

Oil Out Level Control Valves Water Out

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical Oil Weir

Esquema de control de nivel de liquido

LC

LC

Oil Out

Oil Out OIL

OIL

Oil

LC

LC

Water

Water Out

Interface level control

WATER

Water Out

Interface level control with oil chamber

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical Gas equalizing line

Esquema de control de nivel de liquido

L C

Oil

Adjustable height

Oil Ou t

L C

Water Water

Water leg with or without oil chamber

Water out

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical

Desgasificador

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical Gas – Lodo - Liquido

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Cálculo de capacidad de Gas

⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0.5

donde: Vt = Velocidad terminal, ft/seg ρl = densidad del liquido (Lb/ft3) ρg = densidad del gas (Lb/ft3) dm: diámetro de la gota, micrones CD: Coeficiente de arrastre partícula, adimensional


24 3 CD = + + 0.34 0.5 Re Re

Re = 0.0049

dmρ g Vt μg

donde: CD: Coeficiente de arrastre, adimensional Re: Numero de Reynolds. dm: diámetro de la gota, micrones ρg: densidad del gas, lb/ft3 Vt: velocidad terminal, ft/seg µg: viscosidad del gas, cP



0.5

donde: d: Diámetro interno del separador, pulg. Leff : Longitud efectiva del separador, pies. Qg : Flujo de gas, MMPCED. Z: Factor de compresibilidad a P y T, adimensional. T: Temperatura de operación, ºR P: Presión de operación, psia. ρg:: Densidad del gas, Lb/ft3 ρl: Densidad del liquido, Lb/ft3 CD: Coeficiente de arrastre, adimensional. dm: Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Capacidad para Sedimentación

tro ΔSGd ho = 0.00128 μo

2 m

donde: ho: Altura del colchón de aceite, pulg. tro: tiempo de retención del aceite, min ∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite. dm: diámetro de la gota, micrones µo: Viscosidad del aceite, cP.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Capacidad para Sedimentación Teóricamente, para un dm = 500 micrones, se obtiene el mayor espesor del colchón de aceite. La formula se transforma en:

(ho )max

tro ΔSG = 320 μo

donde: (ho)max: Altura máxima del colchón de aceite, pulg. tro: tiempo de retención del aceite, min ∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite. µo: Viscosidad del aceite, cP.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Área ocupada por la fase de agua

Q w trw Aw = 0.5 Q o tro + Q w trw A Aw: Área ocupada por fase de agua, Ft2. A: Área total del separador, Ft2.

Diámetro interno máximo recipiente

dmax =

(ho )max β

dmax: diámetro interno recipiente, pulg. ho: Altura del colchón de aceite, pulg. β: Coeficiente “β" para un cilindro lleno a la mitad con liquido.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Cálculo tiempo de Retención

d2L eff = 1.42(Q w trw + Q o tro ) donde: d: Diámetro interno del separador, pulg. Leff: Longitud efectiva del separador, pies. Qw: Flujo de agua, BPD. trw: Tiempo de retención del agua, min. Qo: Flujo de aceite, BPD. tro: Tiempo de retención del aceite, min.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Horizontal: Dimensionamiento Longitud de costura a costura y Radio de Esbeltez •Para capacidad de gas

L ss = L eff

4 = L 3

•Para capacidad de liquido

L

•Radio de esbeltez

(12 )L ss

donde: Lss: longitud costura-costura recipiente, pie. Leff: longitud efectiva recipiente, pie. d: diámetro del recipiente, pulg.

ss

d

d + 12 eff

= entre 3 y 4


9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 1. Calcular dLeff para la capacidad de gas:


0.5

Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones. Para el calculo de CD, utilizar la formula:

CD =

24 3 + + 0.34 0.5 Re Re

(1)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal • Para calcular el numero de Reynolds se utiliza la formula:

Re = 0.0049

dmρ g Vt μg

(2)

• Y para calcular la Vt utilizar la formula:

⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0. 5

(3)

• Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal

Para calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento: a.

Asuma un valor de CD.

b.

Calcular Vt de la formula (3).

c.

Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2).

d.

Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 2. Ya obtenido CD, calcular dLeff. Elaborar una tabla para diferentes valores de d y Leff. Adicionalmente, calcular diferentes longitudes costura a costura Lss, con la siguiente formula:

L ss = L eff

d + 12

d (pulg.)

Leff (pie)

Lss (pie)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 3. Calcular la máxima altura de colchón de aceite asumiendo dm = 500 micrón:

tro ΔSGdm2 ho = 0.00128 μo 4. Calcular el máximo diámetro para el colchón de aceite de la siguiente manera: a. Calcular:

Aw Q w trw = 0.5 A Q o tro + Q w trw b. Con este valor se entra al grafico y se calcula β:

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal c. Con el valor de β, calcular el dmax con la formula:

dmax =

(ho )max β

5. Calcular d2Leff para cumplir con el tiempo de retención:

d2L eff = 1.42(Q w trw + Q o tro )

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 6. Calcular la longitud costura a costura para capacidad de liquido:

L

ss

4 L = 3

eff

7. Calcular el radio de esbeltez:

(12 )L ss d

= entre 3 y 4

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal 8. Elaborar la tabla siguiente:

d (pulg.)

Leff (pie)

Lss (pie)*

(12)Lss/d

*: el valor de Lss, tiene que ser el mayor entre el calculado de los puntos 2 y 6.

9. Seleccionar d y Lss que satisfaga las condiciones mencionadas.


9Separador Vertical: Dimensionamiento

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical: Dimensionamiento Calculo de capacidad de Gas

d

2 min

⎛ ZT ⎞ ⎛⎜ ⎛⎜ ρ g ⎞⎟ CD ⎞⎟ = 5040⎜ ⎟Q g ⎜ ⎜ ⎝ P ⎠ ⎝ ⎝ ρl − ρ g ⎟⎠ dm ⎟⎠

0. 5

donde: d: Diámetro interno del separador, pulg. Qg : Flujo de gas, MMPCED. Z: Factor de compresibilidad a P y T, adimensional. T: Temperatura de operación, ºR P: Presión de operación, psia. ρg:: Densidad del gas, Lb/ft3 ρl: Densidad del liquido, Lb/ft3 CD: Coeficiente de arrastre, adimensional. dm: Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.


24 3 CD = + + 0.34 0.5 Re Re

Re = 0.0049

dmρ g Vt μg

donde: CD: Coeficiente de arrastre, adimensional Re: Numero de Reynolds. dm: diámetro de la gota, micrones ρg: densidad del gas, lb/ft3 Vt: velocidad terminal, ft/seg µg: viscosidad del gas, cP


⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0.5

donde: Vt = Velocidad terminal, ft/seg ρl = densidad del liquido (Lb/ft3) ρg = densidad del gas (Lb/ft3) dm: diámetro de la gota, micrones CD: Coeficiente de arrastre partícula, adimensional

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical: Dimensionamiento Capacidad para Sedimentación

Q oμ 0 d = 6690 (ΔSG)dm2 2

donde: d: diámetro mínimo para sedimentar la gota de agua, pulg. Qo: flujo de aceite, BPD. ∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite. µo: Viscosidad del aceite, cP. dm2: diámetro de la gota, micrones.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical: Dimensionamiento Tiempo de Retención

Q w trw + Q o tro ho + h w = 0.12d2 donde: ho: Altura del colchón de aceite, pulg. hw: Altura de agua en la salida hasta la interfase, pulg. Qw : Flujo de agua, BPD. trw : Tiempo de retención del agua, min. Qo: Flujo de aceite, BPD. tro: Tiempo de retención del aceite, min. d: diámetro del recipiente, pulg.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Separador Vertical: Dimensionamiento Longitud de costura a costura y radio de esbeltez •La longitud de costura a costura más larga calculada de estas dos formulas:

L ss

h 0 + h w + 76 = 12

h0 + hw + d + 40 Lss = 12

•Radio de esbeltez

(12 )L ss d

= entre 3 y 4

donde: Lss: longitud costura-costura recipiente, pie. Leff: longitud efectiva recipiente, pie. d: diámetro del recipiente, pulg.


¾Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical 1. Calcular el diámetro mínimo que satisfaga la capacidad de gas: 2 dmin

⎛ ZT ⎞ ⎛⎜ ⎛⎜ ρ g ⎞⎟ CD ⎞⎟ = 5040⎜ ⎟Q g ⎜ ⎜ ⎝ P ⎠ ⎝ ⎝ ρl − ρ g ⎟⎠ dm ⎟⎠

0.5

Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones. Para el calculo de CD, utilizar la formula:

24 3 CD = + + 0.34 0.5 Re Re

(1)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical Para calcular el numero de Reynolds se utiliza la formula:

Re = 0.0049

dmρ g Vt μg

(2)

Y para calcular la Vt utilizar la formula:

⎛ ⎛ ρl − ρ g ⎞ d ⎞ ⎟ m⎟ Vt = 0.0119⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ρ g ⎟ CD ⎟ ⎠ ⎝⎝ ⎠

0. 5

(3)

Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical

Para calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento: a.

Asuma un valor de CD.

b.

Calcular Vt de la formula (3).

c.

Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2).

d.

Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical 2. Ya obtenido CD, calcular el diámetro mínimo d. 3. Calcular el diámetro mínimo para garantizar que la gota de liquido sedimente:

Q oμ 0 d = 6690 (ΔSG)dm2 2

4. La suma de la altura de líquidos (ho + hw), utilizando el tiempo de retención dado.

Q w trw + Q o tro ho + h w = 0.12d2

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical Realizar cálculos de combinaciones de d y (ho + hw), y elabore la siguiente tabla:

d (pulg.)

(ho + hw) (pie)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical 5. Calcular la longitud costura a costura, aplicando las siguientes formulas:

L ss

h 0 + h w + 76 = 12

6. Calcular el radio de esbeltez:

(12 )L ss d

= entre 3 y 4

h0 + hw + d + 40 Lss = 12

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical 7. Construya una tabla resumen:

d (pulg.)

(ho + hw) (pie)

Lss (pie)

(12)Lss/d

8. Seleccionar d y Lss que satisfaga las condiciones mencionadas.


9Ejercicios

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Trifásicos 9Dimensionar un separador trifásico horizontal para los datos siguientes:

qo = 5,000 BAPD

Aceite = 30º API

qw = 3,000 BPD Agua

SGw = 1.07

qg = 5 MMSCFD

SGg = 0.6

Po = 100 psia

tro = trw = 10 min

To = 90 ºF

Viscosidad Aceite = 10 cP


¾Otros recipientes para separación de fases


¾Filtros Separadores

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Filtros Separadores 9Este tipo de separador tiene una alta eficiencia de separación, pero como utiliza elementos para filtración, que deben ser reemplazados periódicamente, por lo que puede incrementar los costos si no esta bien diseñado. 9El gas entra por la boquilla de entrada y pasa a través de la sección de filtración, donde las partículas sólidas son filtradas y las gotas de líquidos coalescen y se forman gotas mas grandes. Estas gotas pasan a través del tubo y son removidas en la segunda sección del separador, donde un elemento extractor de neblina, completa la coalescencia. 9El diseño integral del filtro separador es propiedad patentada y el fabricante debe ser consultado para que este elabore el diseño especifico y emita las recomendaciones pertinentes.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Filtros Separadores

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Filtros Separadores 9Un diseño adecuado tiene que tomar en consideración la velocidad a través de los elementos filtrantes y a través del extractor de neblina. Sin embargo, no existe datos publicados, ya que esta información es propiedad de cada uno de los fabricantes de los filtros separadores. 9Con un apropiado diseño, el diferencial de presión normal para un filtro limpio debe estar entre 1 a 2 psi. A medida que se ensucie los elementos filtrantes será necesario limpiar o reemplazar dichos elementos cuando el diferencial de presión llegue a 10 psi. Sin embargo, como regla obligatoria cunado alcance 25 psi de diferencial de presión, hay que remplazarlos. 9Los fabricantes de este filtro garantizan un 100% de remoción de gotas de líquidos > 8 micrones, y un 99.5% de remoción de partículas en un rango de 0.5 a 8 micrones. Sin embargo, este rendimiento es difícil verificarlo en el campo.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Filtros Separadores 9Dimensionamiento El tamaño del cuerpo de un filtro separador horizontal para una típica aplicación, puede ser estimada por las mismas formulas para un depurador, utilizando un valor de K = 1.3.

⎛ ρl − ρ g ⎞ ⎟ Vt = K⎜ ⎜ ρ ⎟ g ⎝ ⎠

1 2

QA A= Vt

Dv =

donde: Vt: velocidad terminal, ft/seg K: constante empírica para dimensionamiento, ft/seg ρg: densidad del gas, lb/ft3 ρl: densidad del liquido, lb/ft3 A: área transversal del depurador, ft2 QA: flujo actual de gas, ft3/seg Dv: diámetro interno del filtro separador, ft

4A π


9Ejercicio

Calcular el tamaño de un filtro que se quiere utilizar para 50 MMPCED de gas a 100 psia y 100 oF con una gravedad especifica de 0.7 (Z=0.99). El liquido esperado tiene una gravedad API de 25.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Filtros Separadores 9Herramientas de Dimensionamiento del Fabricante

Peerless


9Herramientas de Dimensionamiento del Fabricante

Peerless


9Herramientas de Dimensionamiento del Fabricante


9Herramientas de Dimensionamiento del Fabricante Natco

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite La deshidratación de aceite es el proceso mediante el cual se separa el agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. La desalación consiste en reducir la salinidad del crudo. Generalmente, estos porcentajes es igual o inferior al 1 % de agua y 10 PTB de sal. Estos procesos consta de varios equipos, entre otros podemos mencionar:

Separadores, Eliminadores o despojadores de agua libre

Hornos y calentadores

Tanques de lavado o “gun barrels”

Tanques de almacenamiento, etc.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Tanque de almacenamiento Separación Gravitacional

Gas Crudo

Agua

Inyec. Química Desmulsificante

Sistema de clarificación Desarenador (Opcional)

TRATAMIENTO 1


Removedor de Agua libre (Opcional)

Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Gas

Tanque de almacenamiento

Crudo

Mezcla de crudo caliente Agua Tanque de Lavado


TT22

Inyec. Química Anti Incrustante (Opcional)

Desarenador (Opcional)

TT11 Horno

TRATAMIENTO 2

Sistema de clarificación


Removedor de Agua libre

Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite TT11

Gas

Tratador Térmico


TT22

Tanque de almacenamiento Crudo Caliente

Agua




TRATAMIENTO 3 Removedor de Agua libre

Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Tanque de almacenamiento Gas Crudo

Mezcla de crudo caliente Deshidratador Electroestático Inyec. Química Desmulsificante

TT22

Agua


TT11 Horno

TRATAMIENTO 4




Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Inyecc. Agua Fresca

Tanque de almacenamiento Separación Gravitacional

Gas Crudo

Agua



TRATAMIENTO 5


Removedor de Agua libre (Opcional)

Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Gas

Inyecc. Agua Fresca


Crudo

Crudo caliente Agua

Tanque de Lavado




TT11

TT22 Horno

TRATAMIENTO 6


Inyec. Química Desmulsificante Crudo

Removedor de Agua libre BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite TT11

Inyecc. Agua Fresca

Gas

Crudo Caliente

Agua

Tratador Térmico


TT22



TRATAMIENTO 7





Crudo

BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Tanque de almacenamiento

Gas

Inyecc. Agua fresca

Crudo

Crudo caliente Deshidratador Electroestático Inyec. Química Desmulsificante


Horno

TRATAMIENTO 8



TT11

TT22

Agua

Inyec. Química Desmulsificante Crudo

Removedor de Agua libre BATERIA

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Deshidratación y Desalado de Aceite Tipo de Tratamiento

Tipo de Emulsión y Grado de Salinidad

Disponibilidad de Espacio Físico

º API

Tiempo de Residencia

Temperatura requerida por proceso

Requerimientos de Energía, Sistemas de Control y Mantenimiento

Tratamiento 1, 5 (EAL+ID+SG+VM)

• Emulsiones débiles y moderadas • Salinidad Baja

Requiere poco espacio

¾20

0,25 – 0,50 hrs

Temperatura natural del fluido (>130 º F)

• No requiere energía adicional pero si una mayor dosificación • Sistema de control sencillo • Mantenimiento bajo

Tratamiento 2, 6 (EAL+H+ID+TL+VM)

• Emulsiones débiles y moderadas • Salinidad moderada

Requiere de un espacio físico grande

¾25

8- 24 hrs

100 – 180 º F

• Moderado requerimiento de energía • Sistema de control estándar • Mantenimiento Moderado

Tratamiento 3, 7 (EAL+ID+TT+VM)

• Todo tipo de emulsión • Alta salinidad

Requiere poco espacio

Todo tipo

0,5 – 4 hrs

100 – 250 º F

• Gran consumo de energía • Sistema de control semi complejo • Mantenimiento Moderado a alto

Tratamiento 4, 8 (EAL+ID+SE+VM)

• Todo tipo de emulsión • Alta salinidad

Requiere poco espacio. Especial para plataformas costa afuera

Todo tipo

0,25 – 2 hrs

85 – 220 º F

• Gran consumo de energía • Sistema de control sofisticado • Mantenimiento alto

Leyenda: EAL: Eliminador de agua libre ID: Inyección de desmulsificante SG: Separación gravitacional H: Horno o calentador

TL: tanque de Lavado TT: Tratador térmico SE: Separador o colaescedor electrostático VM: Válvula de Mezcla


¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Este se caracteriza por utilizar equipos de separación dinámica que permiten la dispersión de las fases de la emulsión y aceleran el proceso de separación gravitacional. Entre ellos están los separadores convencionales líquido-líquido, tanques de lavado, tanques cortadores o “Gun Barrels” y cualquier recipiente separador del tipo gravitacional. Para describir este proceso es necesario conocer y utilizar las leyes de Stokes, las cuales describen los fenómenos basados en la velocidad de sedimentación o decantación .

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Cálculo de velocidades de sedimentación La Ecuación de Stokes describe la velocidad de sedimentación o de decantación y por tanto debe ser usada para el dimensionamiento de equipos requeridos para el tratamiento de crudo usando la separación gravitacional.

g x dp2 x (ρw - ρo) V= 18μο

1.78 x 10-6 dp2 x (ρw - ρo) V= μo

donde:

En el sistema inglés:

V : g : dp : ρO : ρW : μO :

V : pies/seg (ft/sec) dp : micrones ρO : lb/pie3 (lb/ft3) ρW : lb/pie3 (lb/ft3) μO : Centipoises (cP) g: 32.2 ft/seg2

Velocidad de sedimentación o decantación Aceleración de gravedad Diámetro de la partícula en la fase dispersa Densidad de la fase continua Densidad de la fase dispersa Viscosidad de la fase continua

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9 Consideraciones sobre el tamaño de gota El tamaño de gota a ser usada en la ecuación de sedimentación (Stokes) para alcanzar un % de agua a la salida del equipo, debe ser asumido debido a que es poco común disponer de un reporte de distribución del tamaño de gotas. Cualitativamente, debe esperarse que el mínimo tamaño de gota que debe ser removida para un corte de agua especificado: •

Aumente con el tiempo de retención en la sección de coalescencia.

•

Aumente con la temperatura, que tiende a estimular el sistema, conduciendo a una mayor colisión de las gotas.

•

Aumente con la viscosidad del petróleo, que tiende a inhibir la formación de gotas pequeñas de cortes que ocurren en el sistema

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)

Se selecciona una temperatura de operación.

Se determina la viscosidad del petróleo a esa temperatura, mediante correlaciones, como por ejemplo, la siguiente:

μο = 10x - 1

x = y(T) -1.163

y= 10z

z = 3.0324 – 0.02023G donde: μo

= Viscosidad del petróleo en centipoises (cp)

T

= Temperatura del crudo en grados Fahrenheit (ºF)

x, y, z = Coeficientes calculados dependientes de la gravedad API del crudo y de la temperatura G

= Gravedad API del crudo a ser tratado

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido) Determinar el diámetro de la gota de agua que debe ser removida del petróleo a esa temperatura, mediante las relaciones siguientes:

dp / dp1% = wc0.33 Para separadores convencionales

Para separadores electrostáticos

dp1% = 200 μo 0.25 para μo < 80 cp

dp1% = 170 μ0.4 para 3 cp < μo < 80 cp

donde: dp = Diámetro de las gotas de agua a ser separada del petróleo para alcanzar un corte de agua especificado, en micrones (μm) dp1% = Diámetro de las gotas de agua a ser sedimentada para alcanzar 1% de agua en micrones (μm) μo

= Viscosidad de la fase petróleo en centipoises (cp)

wc = Corte de agua especificado

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido) Determinar las dimensiones del equipo necesaria para satisfacer los criterios de sedimentación, dependiendo del tipo (horizontales, verticales, tanques de lavado o tanques cortadores “Gun Barrels”.

Recipientes Horizontales

d x Leff = 438 x

Recipientes verticales

Qo x μo (ΔSG) x

Tanques de Lavado o Gunbarrels

d = 81.8 x

F x Qo x μ o (ΔSG) x dp2

d = 81.8 x

dp2

1/2

donde: d = Qo = μo = Leff = ΔSG = F

Qo x μo

1/2

(ΔSG) x dp2

Diámetro del recipiente en pulgadas (in) Caudal de petróleo en barriles por día (bpd) Viscosidad del petróleo en centipoises (cp) Longitud de la sección de coalescencia en pies (ft) Diferencia de gravedad específica entre petróleo y agua (relativa al agua) = Factor de corto circuito = 1 para d < 48 pulgadas > 1 para d > 48 pulgadas

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido) Chequear las dimensiones para asegurar que provea suficiente tiempo de retención (normalmente establecido de antemano), dependiendo del tipo (horizontales, verticales, tanques de lavado o tanques cortadores “Gun Barrels”.

Recipientes Horizontales 2

d x Leff =

Qo x (tr) 1.05

Tanques de Lavado o Gunbarrels 2

d xh=

F x Qo x (tr) 0.12

Recipientes Verticales 2

d xh=

Qo x (tr) 0.12

donde: tr = Tiempo de retención en minutos (min) Qo = Caudal de petróleo en barriles por día (bpd) d = Diámetro del recipiente en pulgadas (in) h = Altura de la sección de coalescencia en pulgadas (in) Leff = Longitud de la sección de coalescencia en pies (ft) F = Factor de corto circuito = 1 para d < 48 pulgadas > 1 para d > 48 pulgadas

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido 9Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido) Tabular las combinaciones de d y Leff para la temperatura de operación y para el tiempo de retención requerido y graficar estas curvas así como las curvas de relaciones de esbeltez (Leff/d) recomendadas por las normas (generalmente entre 3 y 4).

tr = 20 min

T=100F

Leff/d=3

Leff/d=4

d

d

d

Leff

d

Leff

Leff/d

Leff

Leff

89

12

114

12

1,3

48

12

36

12

69

20

69

20

3,5

80

20

60

20

63

24

57

24

5,0

96

24

72

24

51

36

38

36

11,3

144

36

108

36

Diametro del Recipiente "d" (in)

150

Leff/d = 3

130

110

Leff/d = 4 Tt=100F

90 tr=20 min

70

50

30 12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Longitud de la Sección de Coalescencia "Leff"(ft)

34

36

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido

Ejercicio sobre Dimensionamiento de Equipos Gravitacionales (Separadores líquido-líquido)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Se requiere diseñar un separador horizontal de acuerdo a las condiciones: Gravedad API del crudo = 30º API Gravedad específica del crudo = 0.875 Flujo de Crudo = 5,000 bpd Temperatura de entrada del crudo = 80 ºF Gravedad específica del agua = 1.04 % AyS a la entrada = 10% % AyS a la salida = 1% Tomar Leff de 6, 12, 24 y 35 ft 1) Si se utiliza la temperatura de entrada del fluído, dimensionar el equipo para un tiempo de retención de 20 minutos. Se logrará ? 2) Si el proceso aguas abajo requiere que el tiempo de retención máximo sea de 20 minutos, y el fluido debe ser calentado, se logrará dimensionarlo para ese tiempo ? a) calentando hasta 100 º F b) calentando hasta 120 º F ?

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Con la temperatura dada de 80 F y considerando también 100 y 120 F, y la gravedad API de 30, se determina la viscosidad a esas temperaturas de las correlaciones mostradas:

μο = 10x - 1

y= 10z

x = y(T) -1.163

z = 3.0324 – 0.02023G

T

API

z

y

x

μο

80

30

2.4255

266.3790

1.6301

41.7

100

30

120

30

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Luego se determina el diámetro de la gota de agua que debe ser removida del petróleo a esas temperaturas para obtener a la salida del equipo un corte de agua del 1% usando esta ecuación:

dp1% = 200 μo 0.25

μο

para

μo < 80 cp

dp1%

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Posteriormente se inician los cálculos de las dimensiones del separador (horizontal) necesaria para satisfacer los criterios de sedimentación de acuerdo a la ecuación de Stokes, tabulando el factor d x Leff a las diferentes temperaturas.

d x Leff = 438 x

Qo x μo (ΔSG) x

T

80 F

100 F

120 F

Δ Sgo

dp2

μo dp1% (μ m) d x Leff

A partir de la relación d x Leff, para cada temperatura, se calculan los diámetros correspondientes para los diferentes Leff establecidos en el problema .

T=80 F d

T=100 F

Leff

d

Leff

T=120 F d

Leff

6

6

6

12

12

12

24

24

24

35

35

35

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Para resolver la parte 1 del problema, se deben graficar los resultados anteriores de Leff y d para la temperatura de 80 F


360 340 320 300 280 260 240 220 200

Tt=80F

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


32

34

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Luego se chequea las dimensiones para asegurar que provea el tiempo de retención propuesto (20 min), calculando el valor d2 x Leff con ese valor

2

d x Leff =

Qo x (tr) 1.05

?

A partir de la relación d2 x Leff, y con el resultado obtenido para un tiempo de retención de 20 minutos, se calculan los diámetros correspondientes para los diferentes Leff establecidos en el problema .

tr = 20 min d

Leff 6 12 24 35

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Luego se grafican los resultados anteriores de Leff y d obtenidos a partir del cálculo de tiempo de retención de 20 minutos sobre el gráfico anterior de Leff y d correspondiente a la temperatura de 80 F


360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Tt=80F tr=20 min

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


32

34

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Para la parte 2 se requiere entonces graficar los resultados anteriores de Leff y d obtenidos a partir de las temperaturas de 100 y 120 F en conjunto con las líneas de relación de esbeltez 3 y 4 (Leff/d = 3 y 4, respectivamente)


360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Tt=80F

Tt=100F

Leff/d = 3 Leff/d = 4

tr=20 min Tt=120F

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30


32

34

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Para la pregunta 2, debemos calcular y tabular el calor requerido por el proceso para elevar la temperatura del fluido desde 80 F hasta 100 F y 120 F, respectivamente a través de la ecuación:

q = 16 x Qo X ΔT [0.5 x Sgo + 0.1 ]

Tabulamos los valores de q obtenidos para cada valor de temperatura del proceso

T(F) q (MMBTU/hr)

80

100

120

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separación Gravitacional Líquido-Líquido Procedimiento de resolución del problema Del gráfico anterior, seleccionar cualquier combinación de d y Leff que satisfaga las condiciones de tiempo de retención de 20 minutos y relación de esbeltez entre 3 y 4, incluyendo algunos valores fuera de estos rangos para efecto de comparación. Llenar la tabla siguiente. Cual sería la combinación óptima de d y Leff ? Porque ? Cual sería el calor requerido por ese proceso seleccionado en particular ?

Temperatur d a (in) ºF 100

120

Leff (ft)

Leff/d

Calor Observaciones sobre Requerido la selección MMBtu/hr

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores de Agua Libre 9Recipiente bifásico diseñado para recibir el petróleo y su emulsión (junto al agua libre no emulsionada) y separar o cortar el agua libre. 9Es conocido también como despojador o eliminador de agua libre y FWKO (Free Water Knock Out). 9Equipos Usados en Alto Corte de Agua. Gas y aceite pueden salir juntos o separados.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores de Agua Libre Interfaz Gas/Liquido

Salida de gas+ aceite

Entrada Sección de asentamiento por gravedad

Difusor de Liquido

3 x 10

2,000 BPD

4 x 10

4,000 BPD

6 x 20

10,000 BPD

8 x 30

15,000 BPD

10 x 40

30,000 BPD

12 x 50

50,000 BPD

Interfaz aceite/agua

• • •

Salida De agua

Gas y aceite salen juntos Mecanismo: gravedad (ley de Stokes: dif. densidades, tamano de las gotas, viscosidad del aceite) Tiempo de asentamiento de las gotas de aceite, tiempo de retencion (tamano y proporcion)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores Electroestáticos

La técnica de separación electrostática aprovecha la diferencia en la conductividad eléctrica de los distintos materiales para separarlos y concentrarlos. Se clasifican de acuerdo al mecanismo de carga de las partículas en :

Electrodinámico o de alta tensión

Electroestático o de campo estático

Triboeléctrico SALIDA DE AGUA LIBRE

SALIDA DE AGUA (AREA ELECTROSTATICA)

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Desaladores 9Recipientes en los cuales se extraen sales y otras impurezas inorgánicas que forman parte del petróleo o pueden haberlo contaminado durante su extracción. 9Hay 2 maneras de retirar la sal. La primera es quitar toda el agua, y la otra es diluir el agua. 9Utiliza carga electrostática para hacer que la mayoría del agua salga y se le inyecta agua fresca al petróleo bruto para diluir la concentración de la sal. 9Este proceso se efectúa debido a los diversos problemas que la sal puede causar en los equipos de procesos en plantas y refinerías


¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel”

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel” 9Lavado Consiste en hacer pasar la emulsión a través de un colchón de agua, que generalmente es caliente para provocar la coalescencia de las gotas de agua suspendidas. Este método de tratamiento es llamado deshidratación dinámica, y utiliza como elemento básico para el proceso un tanque de lavado.

9Tanques de Lavado Han sido diseñados para promover la separación de agua y petróleo mediante la promoción de una condición favorable, tal que cada gota puede ser absorbida por contacto con un gran volumen del mismo tipo de agua. 9En estos equipos se diferencias tres zonas: Una zona de agua en el fondo o colchón de agua , donde entra la emulsión y es lavada promoviendo la coalescencia de las gotas y separándose el agua libre.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel” 9En estos equipos se diferencias tres zonas (cont..): La zona intermedia o interfase, donde las gotas de agua una vez que coalescen, sedimentan desprendiéndose de la fase petróleo que asciende. La zona de petróleo, donde el petróleo asciende con un mínimo contenido de agua, saliendo del tanque por gravedad con % Ay S menor de 1.0 9Los principios básicos para lograr una buena eficiencia en los procesos con tanque de lavado son: Emulsión desestabilizada. Facilidades para desgasificación Permitir la coalescencia (contacto y tiempo) Permitir Sedimentación (velocidad y tiempo) Evitar cambios de temperatura en el tanque Evitar canalizaciones y áreas muertas

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel” 9Usualmente combinan métodos térmicos, químicos, tiempo de residencia y dispositivos mecánicos. El tanque de lavado es básicamente un tanque de asentamiento que tiene adaptado un tubo separador de gas en la parte interna o externa del tanque. Opera bajo el principio de diferencia de densidades. 9La emulsión entra por la parte inferior del tanque, pasa por el tubo distribuidor o inducido por dispositivos mecánicos a través de un colchón de agua. 9La emulsión asciende a través de la zona de agua que ayuda a la coalescencia de las gotas y permite suficiente tiempo de retención para que las fases se separen. El petróleo limpio, el gas y el agua salen por sus respectivas tuberías.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel”

Salida de Gas

Línea de igualación de presión

Emulsión

9Llamados también “gun barrels”. Operan generalmente con media parte de agua (colchón de agua) y la otra parte lo cubre el petróleo. 9La emulsión entra al área donde se libera el gas remanente, la fase liquida desciende por el tubo desgasificador y entra en contacto con la zona de lavado a través de un distribuidor, que se encarga de esparcirla, favoreciendo así la coalescencia de las partículas de agua.

GAS Sifón CRUDO

Salida de Agua

Salida de Crudo

AGUA

Emulsión Gas

Agua Crudo

9Tienen tiempo de residencia de 3 a 36 horas. Agua Caliente Agua

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel” 9El recipiente solamente provee tiempo de retención adicional, para que la emulsión pueda romperse. La mayoría del gas se separa al entrar al recipiente. 9El crudo limpio en el tope del recipiente se derramara por gravedad y saldrá a almacenamiento. 9Básicamente, cuando la combinación del cabezal de presión del crudo y agua sea mayor a la presión de cabezal en el brazo de agua, el agua fluirá sobre el tope del brazo de agua y se enviara a almacenamiento.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Lavado o “Gun Barrel” 9Tipo Espiral

9La producción es recibida inicialmente en el separador líquido para liberar el gas.

9Produce un efecto de tipo ciclón en el tanque para el lavado del crudo neto, por su forma espiral.


Componentes internos de tanque de lavado

Vista externa de tanque de lavado


DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Almacenamiento

9En estos se deposita el crudo estabilizado previo a su entrega final (refinería, terminal de embarque, etc.). 9Son diseñados para operar a presión atmosférica. Para prevenir colapso por presurización tienen instalada una chimenea para venteo de gas. 9 Son de gran capacidad, comúnmente entre 40.000 – 200.000 barriles. 9 Mayormente flotante

usado

del

tipo

techo

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Desarenadores 9Equipo diseñado para retener la arena que contienen la producción fluyendo a las baterías, o las aguas efluentes, a fin de evitar que ingresen al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando problemas. 9Existen varios tipos de desarenadores, los principales son:

Desarenador Longitudinal

Desarenador de vórtice.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Desarenadores 9Desarenadores Ciclónicos KREBS para aplicación en cabezal de pozo.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Tanques de Igualación 9Equipos diseñados y operados para evitar las grandes variaciones de carga orgánica (producto del caudal por la concentración de materia orgánica) y que afectan el funcionamiento del tratamiento secundario. 9Entre otras ventajas se mencionan: Reducción de cargas instantáneas para mejorar el funcionamiento de los sedimentadores primario y secundario. Protege el tratamiento biológico posterior, de las variaciones de carga de caudal.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Desnatadores 9Tanques cuya función es recoger grasa o natas flotantes de la superficie de las aguas residuales o petrolizadas. 9Consta esencialmente de:

Zona de admisión de la mezcla agua-grasas por la parte superior donde lo recibe un bafle. El flujo de agua es vertical de arriba hacia abajo haciendo que todo el tanque se comporte como una canal circular. Al final de su recorrido existe otro bafle donde choca el agua para provocar que las gotas de aceite remanentes se aglomeren (coalescencia).

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Desnatadores 9Funcionamiento

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Clarificadores 9Son ampliamente utilizados en aplicaciones de clarificación primaria y secundaria. 9 Son tanques circulares, el patrón de flujo es radial (en contraposición al flujo horizontal en los tanques rectangulares). Para alcanzar un patrón de flujo radial el agua residual a ser sedimentada se introduce en el centro o alrededor de la periferia del tanque. 9Estos diseños son acompañados de mecanismos de remoción del lodo para su desalojo del tanque.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Son tanques rectangulares diseñados para la separación de crudo disperso en las aguas de formación, según los procedimientos establecidos por el Instituto Americano del Petróleo

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Dimensionamiento

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 1. Cálculo de la velocidad de ascenso:

(ρ w − ρ o ) Va = 1.226 μw donde: Va = Velocidad de ascenso, cm/seg ρw = densidad del agua, gr/cm3) ρo = densidad del aceite, gr/cm3) µw = viscosidad del agua, cP

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 2. Cálculo de la velocidad superficial de flujo: Según normas API, esta recomienda que la velocidad horizontal superficial de flujo no debe ser mayor a 1,52 cm / seg.

VH = 15Va donde: VH = Velocidad horizontal superficial de flujo, cm/seg Va = Velocidad de ascenso, cm/seg

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 3. Cálculo del área mínima transversal vertical:

QM AC = VH donde: AC = Área mínima de sección transversal, m2 QM = Caudal de agua a tratar, m3/min VH = Velocidad horizontal superficial, m/min

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 4. Cálculo del ancho y profundidad de canal:

AC = hxB donde: AC = Área mínima de sección trasversal, m2 h = Profundidad del canal, m B = Ancho del canal, m La relación entre d/B tiene que cumplir: 0.3 > d/B < 0.5

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 5. Cálculo del número de canales requeridos: Si AC es mayor de 14,85 m2 , es necesario determinar el numero de canales requeridos por medio de la siguiente ecuación :

AC Numero _ de _ canales = 14.85 donde: AC = Área mínima de sección trasversal, m2

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API 6. Cálculo de la longitud del canal:

L = Fx( VH / Va )xh

F = Ft xFs

donde: L = Longitud del canal, m VH = velocidad horizontal superficial de flujo, m/min Va = Velocidad de ascenso, m/min h = Profundidad del canal, m F = Factor de corrección global de diseño, adimensional Fs = Factor de corrección por canalización preferencial, adimensional Ft = Factor de corrección por turbulencia, adimensional

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores API 9Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador API Ft se determina de la tabla siguiente, con el correspondiente valor VH/Va. Fs se determina según norma API, que indica un valor optimo de 1,2

VH/Va 20 15 10 6 3

Ft 1.45 1.37 1.27 1.14 1.07

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores de Placas 9 Paralelas “A”

“E”

“D”

“C” “F” A: CANAL DE ENTRADA B: TANQUE DE ARENA C: PAQUETE DE PLACAS

“B”

“F”

D: CAPA DE CRUDO E: CANAL DE SALIDA F: DRENAJE LODOS

Consiste en la colocación de placas paralelas en ángulos de 45º, en la dirección del flujo, permitiendo una mayor coalescencia de las gotas de crudo e Incrementan la remoción de sólidos pesados. Presentan menor tamaño que los separadores API y por ende menor costo de fabricación.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores de Placas 9 Paralelas

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Separadores de Placas 9 Paralelas Corrugadas

Estudios piloto, sobre eficiencia de placas corrugadas y utilizando agua con un contenido de crudo de 350 ppm, dieron como principales resultados, lo siguiente: 9La eficiencia de remoción de crudo decrece con el incremento del caudal. 9 La mayor eficiencia de separación se obtiene con una inclinación de las placas en un 45%. 9A menor gravedad específica del crudo, mayor será la eficiencia de la remoción. 9La remoción es directamente proporcional a la temperatura. 9 A mayor concentración de crudo en el agua, se obtiene mayor eficiencia en la remoción.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Unidades de Flotación 9En estos sistemas de flotación, la separación de crudo emulsionado del agua se logra con la inyección de aire o gas en pequeñas burbujas dentro de las fase acuosa, mediante inyectores o induciéndola por medio de agitación mecánica.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Unidades de Flotación 9Las burbujas de aire o gas en su ascenso hasta la superficie del agua chocan con las gotas de crudo, las cuales se adhieren a ellas y son llevadas hasta la superficie del liquido, donde el crudo separado se retira junto con la espuma que se forma por medio de los desnatadores.

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ¾Unidades de Flotación

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES ATARDECER EN KU-MALOOB-ZAAP

DISEÑO Y SELECCIÓN DE SEPARADORES PUENTE SOBRE EL LAGO DE MARACAIBO - VENEZUELA


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CURSO Diseno Seleccion Separadores Parte 4b

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