ANEXO 1 DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
Salida de Gas
FD= Fuerza de arrastre Vg Gota de líquido Velocidad de Fuerza asentamiento Vt= FB=Bouyancia (Relativa a la (asentamiento) fase gas) Vg = Velocidad promedio Q del Gas = A d
Salida de Gas
FD= Fuerza de arrastre Vg Gota de líquido Velocidad de Fuerza asentamiento Vt= FB=Bouyancia (Relativa a la (asentamiento) fase gas) Vg = Velocidad promedio Q del Gas = A d
SEPARADOR SEP ARADORES ES BIF BIFASICOS ASICOS La velocidad terminal es dada por la relación:
Vt = 0.01 0.0119 19
l - g
g
dm CD
½
(1)
Donde: Vt
Velocidad terminal o de asentamiento de la gota de liquido en ft/s
dm Diámetro de la gota de líquido en micrones l
Densidad del liquido en lb/ft3
g Densidad del gas a condiciones de operación en lb/ft3
CD Coeficiente de arrastre
SEPARADOR SEP ARADORES ES BIF BIFASICOS ASICOS
3 24 + ½ + 0.34 CD = Re Re
(2)
Donde: Re= numero de Reynolds, adimensional.
Re = 0.0049
g dmV
μ
Donde:
μ= Viscosidad Viscosidad del gas en cP
(3)
SEPARADORES BIFASICOS La experiencia de campo indica que si en la sección de asentamiento de las gotas en el separador son removidas las gotas de 140 micrones, la malla demister será capaz de remover las gotas entre 10 y 140 micrones de diámetro. Se ha encontrado que tiempos de retención entre 3 y 30 min son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. En crudos con tendencia a formar espuma, se requieren tiempos de retención hasta 4 veces mayores.
TIEMPO DE RETENCION PARA SEPARADORES BIFASICOS
°API
TIEMPO DE RETENCION (min)
35
0.5 a 1
30
2
25
3
20
4
Si existe espuma, aumente los anteriores tiempos de retención por un factor entre 2 y 4 Si existe alto CO2, use mínimo 5 minutos de tiempo de retención.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES El diámetro mínimo del separador puede estimarse mediante la siguiente ecuación:
TZQ g 2 d = 5.040 P
g l- g
CD ½ dm
Donde: d
Diámetro interno del separador en pulgadas
P
Presión de operación en psia
T
Temperatura de operación en °R
Z
Compresibilidad del gas
Qg Caudal de gas en MMSCFD
(4)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES La altura requerida para la retención del liquido se estima a partir de la ecuación:
d2 h
tr Ql = 0.12
(5)
Donde: h
Altura del volumen de liquido en pulgadas (in)
tr
Tiempo de retención deseado para el líquido en minutos (min)
Ql
Caudal de líquido en BPD
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES La longitud del separador se estima mediante las ecuaciones: L s s
= h + 76 12
L s s
= h + d + 40 12
(para diámetros < 36in)
(6)
(para diámetros>36in) (7)
Donde: Longitud del separador de costura a costura en pies. L s s =
Longitud de costura a costura para un separador vertical en pies.
Salida de Gas
Extractor de niebla
. n i M » 2 4 o » 6 + d
Sección de asentamiento gravitacional
Entrada
» 6
Sección de choque
d u t i g n o L
. n i M » 4 2
Sección acumuladora de líquido
h
» 4
Drenaje
Salida de líquido
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES El procedimiento para dimensionar separadores bifásicos verticales consiste en: Establecer las bases de diseño. Estas incluyen los caudales o flujos tanto de gas como de líquido que deben separarse, la temperatura y la presión de operación, tamaño de gota a ser removida. Determinar mediante la ecuación 4 el diámetro mínimo requerido para el separador. Cualquier diámetro mayor que este valor se puede usar.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES Para el diámetro seleccionado, determinar mediante la ecuación 5 la altura requerida para retener la fase líquida durante un tiempo de residencia dado.
A partir de los valores de d y h, estimar la altura de costura a costura (seam-to-seam) utilizando las ecuaciones 6 y 7. utilizar el mayor valor de Lss.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS VERTICALES Asegúrese que la relación de esbeltez (Lss/d) sea menor que 4
Seleccione un tamaño de recipiente estandar, esta sera siempre la mas economica. Hasta 24 pulgadas de diámetro exterior se tendrán dimensiones de tubería nominal. Para diámetros mayores de 24 pulgadas se usará lámina enrollada con incrementos de diámetro de 6 pulgadas.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES Los separadores horizontales se operan 50% llenos de líquidos para maximizar el área superficial de la interface gas-liquido. Estas dimensiones deben satisfacer: Capacidad para manejo de gas que permitan que las gotas de liquido caigan del ga a la fase liquida a medida que atraviesan la longitud efectiva del separador.
También debe proveer suficiente tiempo de retención para permitir que el liquido alcance el equilibrio con el gas.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES Para un separador 50% lleno que separe gotas de líquido de 100 micrones, la siguiente ecuación permite determinar sus dimensiones:
dLeff
TZQg = 420 P
(
CD ½ ) dm
g l- g
(8)
Donde: L eff =
Longitud efectiva del separador donde ocurre la separación, en pies.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES Para un separador horizontal 50% lleno de liquido, que requiera manejar un caudal de líquido y un tiempo de retención dados, la siguiente ecuación se puede usar para determinar el tamaño del separador:
d2
r Ql t Leff = O.7
(9)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES De las ecuaciones 8 y 9 se puede calcular la longitud efectiva del separador y con esta puede determinarse la longitud costura a costura. La longitud costura a costura del separador puede estimarse como el mayor valor calculado con las ecuaciones:
Lss = Leff +
d
12
(10)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES
Lss = (4/3) Leff
(11)
Las ecuaciones 8 y 9 permiten seleccionar varias opciones de diámetro y longitud. Para cada diseño, existe una combinación de L e f f y d. Una relación de esbeltez (12L s s /d) entre 3 y 4 es recomendada para diseñar separadores bifásicos.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES El procedimiento para dimensionar separadores bifásicos horizontales 50% llenos de líquido consiste en: Establecer bases de diseño. Incluyen caudales o flujos de gas y liquido que deben separarse, la temperatura y la presión de operación y tamaño de la gota a remover. Preparar tabla con valores calculados de L eff para valores seleccionados de d que satisfagan ecuación 8. Calcule Lss usando ecuación 10
Longitud costura a costura = Lss Entrada
Longitud efectiva = Leff
Salida
Vg Vg FB
Vt
Líquido
Trayectoria de la gota de liquido. d m
Convenciones: Q = Vg= Velocidad promedio del Gas A Vt= Velocidad terminal relativa al gas FB= Fuerza de Buoyancia
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES Para los mismos valores de d calcule valores de Leff usando ecuación 9 y liste estos valores en la misma tabla. Calcule Lss usando la ecuación 11.
Para cada valor de d, el mayor valor de Leff debería usarse.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES BIFASICOS HORIZONTALES Calcule la relación de esbeltez (12 Leff /do) e inclúyalo en la lista para cada valor de d. seleccione una combinación de d y Lss que tenga una relación de esbeltez entre 3 y 4.
Seleccione un tamaño de recipiente estándar
SEPARADORES TRIFASICOS Los conceptos de diseño utilizados en los separadores bifásicos para la separación de liquido y gas son aplicables a la separación de gas que tiene lugar en los separadores trifásicos.
SEPARADOR TRIFASICO HORIZONTAL Sección de asentamiento gravitacional Extractor de Desviador de entrada niebla
P C
salida de gas
Válvula reguladora de presión Entrada
L C
Petróleo y emulsión
L C
Agua
Salida de agua
Salida de petróleo Válvula de control de nivel
d
βd αA A = Ԓd2 4
SEPARADORES TRIFASICOS La separación agua-crudo ya sea por asentamiento de gotas de crudo en agua o gotas de agua en el crudo es gobernada por la ley de Stokes. La velocidad terminal de la gota es calculada mediante la ecuación:
1.78 x 10-6 ( ΔSG) d2 m Vt = μ
(12)
Donde: μ= Viscosidad de la fase continua en Cp Diferencia en gravedad específica relativa ΔSG= al agua entre las fases aceite y agua.
SEPARADOR TRIFASICO VERTICAL P C
Válvula reguladora de presión Salida de petróleo y gas
Desviador de entrada Gas Entrada de líquido Petróleo
Agua Aceite-Agua interfaz
L C
Salida de agua
SEPARADORES TRIFASICOS Para obtener una corriente de emulsión efluente del separador que contenga menos del 5% al 10% de agua, hay que utilizar en los cálculos un tamaño de gota de agua de 500 micrones. En sistemas de crudos pesados, algunas veces es necesario diseñar para gotas de 1000 micrones; en tales casos la emulsión efluente puede contener 20% a 30% de agua
SEPARADORES TRIFASICOS El propósito fundamental de una separación trifásica es reducir el contenido de agua del crudo para deshidratarlo en una etapa posterior de tratamiento hasta lograr la especificación requerida para su venta. El contenido de aceite en el agua producida en un separador trifásico puede ser entre 200 y 2.000 ppm. Es común usar tiempos de retención para el crudo entre 3 y 30 minutos en el diseño de separadores trifásicos, dependiendo de datos de laboratorio o campo.
SEPARADORES TRIFASICOS Se puede utilizar como guía mostrados en la siguiente tabla. °API Condensados
los
Tiempos de Retención (min) 2 -5
Crudos livianos (30 a 40) API
5 – 7.5
Crudos intermedios (20 a 30) °API
7.5 – 10
Crudos pesados menores de 20 °API
datos
>10
En caso de que esta información no este disponible, se recomienda utilizar un tiempo de retención de 10 minutos para el agua.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Al igual que en los separadores bifásicos, las consideraciones de capacidad para manejo de gas y tiempo de residencia establecen ciertas combinaciones aceptables de diámetro y longitud. La necesidad de decantar del aceite gotas de agua de 500 micrones y permitir el ascenso de gotas de aceite de 200 micrones establece un diámetro máximo correspondiente al tiempo de retención establecido para el liquido.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Al igual que para los separadores bifásicos horizontales, la capacidad de manejo de gas en un separador trifásico horizontal 50% lleno de liquido se determina por la ecuación 8. Las combinaciones aceptables de diámetro y longitud del separador para cumplir con las consideraciones de tiempo de residencia se puede determinar mediante la ecuación:
d2 Leff = 1.42 ((Qw) (tr )w + (Qo) (tr )o)
(13)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES La velocidad de descenso de las gotas de agua a través del crudo se puede calcular mediante la ley de Stokes. Con esta velocidad y el tiempo de retención especificado para la fase crudo puede determinarse la distancia o altura que cae la gota de agua en ese tiempo. Esta altura establece un máximo espesor de la capa de aceite, dado por la ecuación: 2 0.00128 (t r ) o ( ΔSG) d m ho = μ
(14)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Este es el máximo espesor que la capa de aceite puede tener y todavía permitir que las gotas de agua se decantan en el tiempo (t r )o. para gotas de 500 micrones puede usarse la siguiente ecuación:
(tr )o( ΔSG) (ho)max = 320 μ
(15)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Para un tiempo de retención de crudo y agua, el limite del máximo espesor de la capa de aceite establece un máximo diámetro de acuerdo con el siguiente procedimiento: 1. Calcule (ho)max. Use una gota de 500 micrones si no hay otra información disponible. 2. Calcule la fracción del área transversal del separador ocupada por la fase agua. Esta es dada por la relación:
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES
Qw(tr )w Aw = 0.5 (tr )oQo + (tr )wQw A
(16)
3. De la figura 6 determine el coeficiente β 4. Calcule dmax: (17)
(ho)max dmax = β Donde:
β =
Cualquier combinación de d y Leff que satisfaga todas las tres ecuaciones 8, 13, y 14 reunirán los criterios necesarios.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Las gotas de aceite en fase acuosa ascienden a una velocidad terminal definida por la ley de Stokes. 0.0 0.1
β 0.2
ho d
0.3
d
0.4
Ao
0.0
Aw 0.5
0.0
0.1
0.2
Aw A
0.3
ho d hw 2
0.4
0.5
Fig. 6 Coeficiente β para un cilindro 50% lleno con líquido
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Al igual que las gotas de agua en aceite, la velocidad y el tiempo de retención se usan para determinar el máximo diámetro del separador mediante la ecuación 13. Es raro que el máximo diámetro determinado para gotas de aceite 200 micrones que ascienden a través de la fase acuosa sea mayor que uno para gotas de agua de 500 micrones que caen a través de la fase aceite. Por lo tanto, el máximo diámetro se determina a partir de la decantación del agua.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Para gotas de 200 micrones se puede usar la ecuación:
(51.2(tr )w ( ΔSG)) (hw)max = μw
(18)
La longitud efectiva del separador puede calcularse con la ecuación 13, tal como en los separadores bifásicos. La longitud costura a costura se determinara con ecuaciones 10 y 11. La relación de esbeltez (Lss/d) es de 3 a 5.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Procedimiento para dimensionar separadores trifásicos horizontales: Establecer bases de diseño Seleccione un (tr )o y un (tr )w Calcule (ho)max (utilice la ecuación 15) Calcule Aw/A con la ecuación 16 Calcule β de la curva de la figura 6 Calcule dmax con la ecuación 17
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS HORIZONTALES Con ecuación 8 calcule combinaciones de d, Leff para d menor que dmax. Use gotas de 100 micrones. Con ecuación 13 calcule combinaciones de d, Leff para d menor que dmax Estime la longitud de costura a costura con ecuaciones 10 y 11 Seleccione diámetro y longitud razonable, que la relación esbeltez este en un rango de 3 a 5 Seleccione tamaño de recipiente estándar
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS VERTICALES Al igual que un separador bifásico, el diámetro mínimo de un separador trifásico vertical puede estimarse mediante la ecuación 4. El requerimiento para que las gotas de agua se decanten del crudo requiere que se cumpla:
d2 = 6.690
QO μ ( ΔSG) d2m
(19)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS VERTICALES Para gotas de 500 micrones, la ecuación anterior llega a ser:
d2 = 0.0267
QO μ
(20)
ΔSG
La misma ecuación 19 se utiliza en los cálculos para separar el crudo del agua. Para gotas de 200 micrones, esa ecuación se convierte en:
d2 = 0.167
QO μ
ΔSG
(21)
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS VERTICALES El tiempo de residencia de las dos fases liquidas se satisface con la relación:
(tr ) oQo+(tr )wQw ho + hw = 0.12 d2
(22)
Donde: ho = altura de la capa de crudo, in hw = altura de la salida de agua a la interface, in.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS VERTICALES Como longitud efectiva se tomara el mayor valor obtenido de las relaciones:
ho+hw+76 (para diámetros<36in) 12
(23)
ho+hw+d+40 (para diámetros>36in) Lss = 12
(24)
Lss = y…
Se recomienda utilizar una relación de esbeltez no mayor de cuatro, preferible entre 1.5 y 3.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES TRIFASICOS VERTICALES Procedimiento para dimensionar separadores trifásicos verticales: Establecer las bases de diseño Determinar mediante ecuación 4 diámetro mínimo requerido para el separador Utilice ecuación 19 para calcular el diámetro mínimo para que gotas de agua caigan a través de fase aceite Utilice la misma ecuación 19 para calcular diámetro mínimo para que gotas de crudo asciendan a través de la fase acuosa Utilice ecuación 21 para gotas 200
