República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Universidad Bolivariana de Venezuela Programa Formación de Grado en Gas Aldea: IUTM
U.C: DISEÑO y OPERACIÓN DE SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE GAS ACTIVIDAD:
Profesor: Ing. FERNANDO MARTÍNEZ
Realizado por:
TSU RAMÓN E. COELLO S. C.I: 8.507.279
Maracaibo, 14 de mayo de 2.011
er
1
PLANTEAMIENTO DEL DISEÑO CONCEPTUAL:
Separador Vertical Bifásico ± con Extractor de Neblina tipo Malla PARÁMETROS
VALORES
Presión de Operación, psia Presión @ CN, psia Temperatura Temperatu ra de Operación, °F Temperatura Temperatu ra @ CN, °F °API Peso Molecular del Gas, Lb/Lbmol Relación Gas Líquido (RGL), PCN / BN Flujo Volumétrico de Líquido @ CN, MBND Flujo Volumétrico de Gas @ CN, MMPCND
850 14.7 160 60 45 20 8500 46,06 400
I. PROCEDIMIENTO y CÁLCULOS 1.
Velocidad del Gas dentro del Separador; velocidad de Asentamiento; Velocidad
Terminal.
-Gravedad Específica del Petróleo
-Densidad del Petróleo
-Gravedad Específica del Gas
-Presión Crítica
-Temperatura Crítica
-Presión Seudorreducida
-Temperatura Seudorreducida
-Factor de Compresibilidad (Método de Papay)
-Densidad del Gas
-Flujo Másico del Líquido (petróleo)
-Flujo Másico del Gas
-Relación de Flujos Másicos
Según PDVSA:
Wl / Wg 0,1
K = 0,35
0,1 Wl / Wg 1,0
K = 0,25
Wl / Wg > 1,0
K = 0,20
2. Tasa de Flujo Volumétrico del Gas @ Condiciones de Operación
3. Área Sección Transversal del Separador
4. Diámetro Interno del
Recipiente
(*) = Se asume un Di =
126¶¶ (10,5
pies), ya que no se cuenta con la información técnica-
comercial disponible para diámetros de carcasa de separadores -depuradores, contenida en manuales y normas específicas, como ASME - Sección VIII, ASTM, PDVSA, API y NACE. En consecuencia, se recalculó el Área de la Sección Transversal del Separador (Ag) a partir de este valor asumido como Diámetro Interno del Separador:
5. Flujo
Volumétrico del Líquido @ Condiciones de Operación
6. Volumen de Retención de Líquidos
API del Crudo
Características del Líquido
Tiempo de Retención , Tr
°API 40
Destilados y petróleos crudos
1,5 min
25 °API 40
Petróleos crudos tipificados como no espumosos Petróleos crudos considerados espumosos
3 min
°
°API 25
5 min
7. Altura del Líquido en el Separador
À
*
8. Densidad de la Mezcla
9. Velocidad del Fluido en la Boquilla de Entrada
(*) Según norma,
; por lo tanto, Vbe = 30 pie/s .
10. Velocidad Máxima del Gas en la
Boquilla de Salida de Gas del Separador
(*)
(*) Vbg 90 pie/s (60 pie/s ~ 90 pie/s); por lo tanto se asume Vbg = 60 pie/s
11.
Velocidad Máxima del Crudo a la Salida de la Boquilla del Separador (Velocidad del
Líquido a la Descarga del Separador)
(*)
(*) Vbo 3 pie/s; por lo tanto, Vbo = 3 pie/s
12. Diámetro de la Boquilla de
Entrada
13. Diámetro de la Boquilla de
Salida de Gas
14. Diámetro de la Boquilla de
Salida de Líquido (petróleo)
NOTA: A continuación, se procede a establecer las proporciones del dimensionamiento del Separador Bifásico Vertical, según PDVSA y GPSA. Pero antes, se deben recalcular para ajustarse a la normativa GPSA los siguientes parámetros:
y
Valor de la Constante de K (GPSA). Según la GPSA, K = 0,35 @ 100 psig y por cada 100 psig de aumento de Po, K disminuye 0,01. Por lo tanto:
y
Velocidad de Asentamiento en el Separador , Vcg. Se recalcula con el valor de K(GPSA):
y
Área Transversal del Separador , Ag.
y
Diámetro Interno del Separador , Di (Dv).
y
Recálculo de Ag.
Los
demás parámetros quedan en igual condición
II. DIMENSIONAMIENTO DEL SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL
Según Normativa PDVSA Nivel de Altura
Especificación
h0
Según Normativa GPSA
Resultado
Nivel de Altura
Especificación
Resultado
h0= Dv/4
2,63¶
h0
h0= Dv/4
2,5¶
h1
h1= (Dv -Di)/2 ± h0
1,875¶
h1
h1= (Dv -Di)/2 ± h0
1,5¶
h2
h2 = 6¶¶ = 0,5¶
0,5¶
h2
h2 = 6¶¶ = 0,5¶
0,5¶
h3
h3 = 0,6Dv o 3¶¶(mín)
8,5¶
h3
h3 = Dv o 2¶ (mín)
10¶
h4
h4 = Di
2¶
h4
h4 = 2Di
4¶
h5
h5 = 0,3Dv o 2¶ (mín)
6,2¶
h5
1¶ (mín)
3,1¶
h6
h6 = Cap. Líq. = 1¶ (min)
3,1¶
h6
1¶ (mín)
3,1¶
h7
N/A
N/A
h7
h7 = Cap. Líq. = 1¶ (mín)
3,1¶
h0
h0= Dv/4
2,63¶
h0
h0= Dv/4
2,5¶
L
-
27,435¶
L
-
30,3¶
Dv
-
10,5¶
Dv
-
10¶
L/Di
2,5 L/D 6,0
2,61
L/Di
2,0 L/D 4,0
3,03
NOTA. Como podemos apreciar, el dimensionamiento cumple tanto con las especificaciones de PDVSA como de GPSA. Sin embargo, es preciso acotar que para obtener los valores apropiados de h3, h5 y h6 para el cumplimiento de la normativa PDVSA y, en el caso de la normativa GPSA, h5, h6 y h7, se procedió a establecer la siguiente relación de proporciones: PDVSA h6 = Altura Normal del Líquido = 3,1¶; por consiguiente, si la especificación mínima dice que h3 y h5 deben ser 3¶ y 2¶, respectivamente, entonces: h5 = 2h6 = 2x3,1¶ = 6,2¶ h3 = 3h6 = 3x3,1¶ = 9,3¶. En este caso primó el aspecto económico, ya que sólo hacían falta 8,5¶ para cumplir con al menos una L/D = 2,5+0,1=2,6. Con 9,3¶ el valor de L/D = 2,68. GPSA h7 = Altura Normal del Líquido = 3,1¶; por consiguiente, de acuerdo a las especificaciones mínimas de h5 y h6: h5 y h6 = h7 = 3,1¶ ; en consecuencia: h5 y h6 = 3,1¶.
III. ESPESORES DEL SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL Por ser un recipiente a presión, el diseño mecánico de un separador puede realizarse con el código ASME Sección VIII División 1.
y
Espesor de Pared de la Carcasa. Se consideró junta longitudinal y como material del recipiente acero al carbono , con esfuerzo a la tensión del material de 20.000 lpcm, con eficiencia del 85% (0,85) y espesor por corrosión de 0,125¶¶. La tabla siguiente muestra los parámetros para el cálculo y sus respectivos valores y unidades:
PARÁMETROS REQUERIDOS PARA ESPESOR DE CARCASA Valor
Descripción
Símbolo
Unidad
Espesor Nominal
ts
Pulgadas
Por Calcular
?
Presión de Operación
P
Lpcm
Establecido por Requerimiento
835,3
Radio Interno del Sep.
R
Pulgadas
Calculado
60
S
Lpcm
E
Fracción de 1
Asumido
0,85
C.A.
Pulgadas
Asumido
0,125
Valor Máximo de Esfuerzo Permisible Eficiencia de Junta Longitudinal Espesor por Corrosión
Parámetro / Resultado
Asumido
20.000
y
Espesor de los Casquetes. Se consideró para el diseño los casquetes elípticos , ya que ofrecen mayor resistencia a la presión. La tabla siguiente muestra los parámetros para el cálculo y sus respectivos valores y unidades:
PARÁMETROS REQUERIDOS PARA ESPESOR DE CASQUETES Valor
Descripción
Símbolo
Unidad
Espesor Nominal
tc
Pulgadas
Por Calcular
?
Presión de Operación
P
Lpcm
Establecido por Requerimiento
835,3
D
Pulgadas
Calculado
120
S
Lpcm
E
Fracción de 1
Asumido
0,85
C.A.
Pulgadas
Asumido
0,125
Diámetro Interno del Separador Valor Máximo de Esfuerzo Permisible Eficiencia de Junta Longitudinal Espesor por Corrosión
Parámetro / Resultado
Asumido
20.000
y
Espesor de Pared de las Boquillas. De las normas API 5L / ASTM A53 / A106 se obtienen los diámetros nominales de las tuberías de acero para las tuberías de Schedule estándar. Opcionalmente, pueden tomarse datos de las tablas contenidas en el Apéndice A de Marcías Martínez. Adicional a eso, se consideró para el cálculo que al espesor nominal se le sustraiga el 12,5% de tolerancia permitida más el margen por corrosión, tal como lo muestra la expresión:
En donde:
À À
Boquilla de Entrada
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ Po = 984 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
Boquilla de Salida de Gas
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ Po = 963 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
Boquilla de Salida de Líquido (petróleo)
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ Po = 900 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
do
2
PLANTEAMIENTO DEL DISEÑO CONCEPTUAL:
Separador Horizontal Bifásico ± con Extractor de Neblina tipo Malla PARÁMETROS
VALORES
Presión de Operación, psia Presión @ CN, psia Temperatura de Operación, °F Temperatura @ CN, °F °API Peso Molecular del Gas, Lb/Lbmol Relación Gas Líquido (RGL), PCN / BN Flujo Volumétrico de Líquido @ CN, MBND Flujo Volumétrico de Gas @ CN, MMPCND
500 14.7 160 60 45 20 2667 7,50 20
I. PROCEDIMIENTO y CÁLCULOS 1. Velocidad de
Asentamiento o Velocidad Terminal.
±
-
-
-
-
-
-
-
Asumiendo un L = 10 pies y un K = 0,40
/s
2. Velocidad del Gas.
3. Flujo Másico del Gas.
4. Flujo
Volumétrico del Gas @ Cond. Operación.
5. Área de la
Sección Transversal de Gas.
6. Área Total en
el Separador.
7. Diámetro del Separador.
8. Longitud del Separador.
×
-
9. Flujo Volumétrico del Líquido (petróleo).
-
10. Volumen para el Líquido.
11. Tiempo de Retención del Líquido.
12. Velocidad de la Boquilla de Entrada.
(OK)
-
13. Diámetro de la Boquilla de
Entrada.
14. Velocidad de la Boquilla de Salida de Gas.
15. Diámetro de la Boquilla de
Salida de Gas.
16. Velocidad de la Boquilla de Salida de Líquido.
17. Diámetro de la Boquilla de Salida de Líquido.
II. DIMENSIONAMIENTO DE ESPESOR DE PAREDES Para los cálculos de espesor de paredes de carcasa, casquetes y boquillas se tomaron en cuenta las mismas consideraciones que en el caso del Separador Vertical. Por consiguiente, se procede directamente con los cálculos, empezando por el espesor de la carcasa cilíndrica:
PARÁMETROS REQUERIDOS PARA ESPESOR DE CARCASA Valor Descripción Símbolo Unidad
y
Parámetro
Resultado
Por Calcular Establecido por Requerimiento Calculado
?
Espesor Nominal
ts
Pulgadas
Presión de Operación
P
Lpcm
Radio Interno del Sep. Valor Máximo de Esfuerzo Permisible Eficiencia de Junta Longitudinal Espesor por Corrosión
R
Pulgadas
S
Lpcm
E
Fracción de 1
Asumido
0,85
C.A.
Pulgadas
Asumido
0,125
485,3 20
Asumido
20.000
Espesor de Pared de Carcasa
PARÁMETROS REQUERIDOS PARA ESPESOR DE CASQUETES Valor
Descripción
Símbolo
Unidad
Espesor Nominal
ts
Pulgadas
Presión de Operación
P
Lpcm
D
Pulgadas
S
Lpcm
E
Fracción de 1
Asumido
0,85
C.A.
Pulgadas
Asumido
0,125
Diámetro Interno del Separador Valor Máximo de Esfuerzo Permisible Eficiencia de Junta Longitudinal Espesor por Corrosión
Parámetro
Resultado
Por Calcular Establecido por Requerimiento
? 485,3
Calculado
40
Asumido
20.000
y
Espesor de Pared de Casquete
y
Espesor de Pared de las Boquillas. Se aplicaron las mismas consideraciones que en el caso del Separador Vertical, procediéndose a continuación a calcular los espesores correspondientes a las Boquillas de Entrada, de Salida de Gas y de Salida de Líquido. Boquilla de Entrada
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ P = 712 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
Boquilla de Salida de Gas
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ P = 829 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
Boquilla de Salida de Líquido (petróleo)
(Tomado de Ap. A de M. Martínez, @ P = 829 lpcm, S = 35.000 lpcm y F = 0,72)
CONSIDERACIONES y COMENTARIOS FINALES 1. Para el dimensionamiento de los Separadores Verticales fue necesario la aplicación de criterios técnicos amplios, con sentido lógico y con proporciones basadas en las relaciones dimensionales entre cada uno de los niveles de altura del separador. Por ejemplo, parea el cálculo del nivel h6 (PDVSA) = h7 (GPSA) fue tomado como base la altura del líquido ( hl = Capacidad del Líquido = 3,1¶), aunque la especificación fuese 12¶¶ mín. (1¶) en cada caso. A partir de este valor, se establecieron las dimensiones de otros niveles de altura relacionados con hl , en las que cada uno guarda una relación proporcional de especificación mínima con los demás. Todo eso se emplea sólo en el caso eventual en que se tuviese algún inconveniente para cumplir con la Relación de Esbeltez (L/D) especificada. 2. En varias ocasiones fue preciso asumir valores de algunos parámetros, ya que el valor calculado según las fórmulas establecidas no cumplía con
las especificaciones
máximas o mínimas exigidas. Como muestra de ello se mencionan las velocidades en las boquillas de entrada y salida de fluidos. No obstante, esta disposición de asumir valores máximos o mínimos no implica de ningún modo que haya existido algún error en los cálculos o una equivocación al momento de elegir una constante; sino más bien lo contrario, ya que con esto estamos evaluando de manera crítica y analítica los criterios técnicos más estrictos para cumplir minuciosamente con las exigencias de diseño, en concordancia con las especificaciones propuestas por fabricantes, operadoras industriales, empresas del ramo, asociaciones profesionales, normas internacionales, entre otras. 3. Para el caso del Separador Horizontal, se consideró una Longitud L = 10 pìes, la cual resultó excelente para el dimensionamiento, debido a la Relación de Esbeltez del Separador (L/D = 3), siendo el rango seleccionado para ésta de 2.5 ~ 4.0, la cual implicaba un ahorro de espacio y de inversión económica. Esta selección conllevó a tomar un valor de la Constante de Souders & Brown (K) = 0.4, de acuerdo a los criterios de selección establecidos para esta constante por la normativa consultada. La misma consideración se aplicó para la selección de la fórmula para el cálculo de la Velocidad Crítica del Gas (Vcg), elegida a partir del valor de L asumido.
4. Como consideración final, se realizó una evaluación de los Separadores Bifásicos Diseñados, para establecer su Recomendación de Uso, de acuerdo a la siguiente tabla: RECOMENDACIÓN DEL TIPO DE SEPARADOR Situación
Alta RGL
Vertical sin malla Muy Recomendable
Vertical con malla Muy Recomendable
Horizontal sin malla Manejo Moderado
Horizontal con malla Manejo Moderado
Alto "turndown" de flujo de gas
Muy Recomendable
Muy Recomendable
Manejo Moderado
Manejo Moderado
Baja RGL
Manejo Moderado
Manejo Moderado
Muy Recomendable
Muy Recomendable
Alto "turndown" de flujo de liquido
Manejo Moderado
Manejo Moderado
Muy Recomendable
Muy Recomendable
Presencia de Sólidos/Materiales Pegajosos
Recomendado
Manejo Moderado Considerar Internos Especiales
Manejo Moderado Considerar Internos Especiales/Inclinados
Manejo Moderado Considerar Internos Especiales/Inclinados
Separación liquidoliquido solamente
No Recomendable
No Recomendable
Recomendable
No Aplica
Separación liquidoliquido-vapor
Manejo Moderado
Manejo Moderado
Muy Recomendable
Muy Recomendable
Limitaciones en área de planta
Recomendable
Recomendable
No Recomendable
No Recomendable
Limitaciones en espacio vertical o altura
No Recomendable
No Recomendable
Recomendable
Recomendable
Tal como podemos apreciar en la tabla comparativa, para RGL altas, como en el caso propuesto tanto para Separadores Verticales (RGL = 8500 PCN/BN) como para Separadores Horizontales (RGL = 2667 PCN/BN), ambos con Extractor de Malla, se establece una valoración de uso de ³MUY RECOMENDABLE´ en el caso del Separador Vertical y de ³MANEJO MODERADO´ para el caso del Separador Horizontal. Esto se deduce perfectamente porque altas RGL producen una mayor proporción de gas y menor proporción de líquidos que bajas RGL, con lo cual un Separador Bifásico Vertical resulta idóneo para este caso; mientras que los Separadores Bifásicos Horizontales son especiales para el manejo de mayores cantidades de líquido y menores cantidades de gas, sobre todo para separación trifásica líquido-líquido-gas, de allí su diseño con mayor capacidad de almacenaje y separación de líquidos.
FE DE ERRATA El cálculo de la L/D realizado inicialmente en el Separador Bifásico Vertical (PDVSA y GPSA) fue hecho tomando en cuenta la altura de los casquetes, lo cual constituye un error, ya que estos no forman parte del cuerpo cilíndrico de la carcasa y no deben considerarse para el cálculo, según norma. Por consiguiente, se recalculó la L/D para cada caso y la misma dio los siguientes resultados:
Tabla: Recálculo de L/D (sin los Casquetes) Según Normativa PDVSA Nivel de Altura
Especificación
h0
Según Normativa GPSA
Resultado
Nivel de Altura
Especificación
Resultado
h0= Dv/4
2,63¶
h0
h0= Dv/4
2,5¶
h1
h1= (Dv -Di)/2 ± h0
1,875¶
h1
h1= (Dv -Di)/2 ± h0
1,5¶
h2
h2 = 6¶¶ = 0,5¶
0,5¶
h2
h2 = 6¶¶ = 0,5¶
0,5¶
h3
h3 = 0,6Dv o 3¶¶(mín)
8,5¶
h3
h3 = Dv o 2¶ (mín)
10¶
h4
h4 = Di
2¶
h4
h4 = 2Di
4¶
h5
h5 = 0,3Dv o 2¶ (mín)
6,2¶
h5
1¶ (mín)
3,1¶
h6
h6 = Cap. Líq. = 1¶ (min)
3,1¶
h6
1¶ (mín)
3,1¶
h7
N/A
N/A
h7
h7 = Cap. Líq. = 1¶ (mín)
3,1¶
h0
h0= Dv/4
2,63¶
h0
h0= Dv/4
2,5¶
L
-
22,175¶
L
-
25,3¶
Dv
-
10,5¶
Dv
-
10¶
L/Di
2,5 L/D 6,0
2,11
L/Di
2,0 L/D 4,0
2,53
Tal como podemos apreciar, en la L/D basada en la normativa de PDVSA se obtuvo un valor por debajo de la especificación mínima exigida (0,39 por debajo). En tanto que para la normativa GPSA se obtuvo un valor de L/D más bajo, pero acorde con la especificación
mínima (0,53 por encima). En conclusión, se tuvo que efectuar un ajuste para el primer caso, el cual se fundamentó en el siguiente planteamiento:
y
Valor de L requerido para una L/D =
y
2,60:
Diferencia requerida de L para una L/D =
2,60:
Como técnicamente es incorrecto el ajuste de todos los niveles de altura del cilindro, ya que resulta algo arbitrario, se tomaron en consideración solamente aquellos en los cuales puedan hacerse ajustes y que cumplan con las especificaciones establecidas para el caso (PDVSA) una vez ajustados. Dichos niveles de altura son: h3, h5 y h6, ubicándose el primero por encima de la boquilla de entrada y los dos últimos por debajo de la misma. En concreto, se debe entonces distribuir el valor de L requerido (5,125 pies) entre estos tres niveles, adicionando un valor proporcional a cada uno de acuerdo a lo mostrado en la siguiente tabla:
Nivel
Valor Previo
h3 h5 h6 Total
8,5 6,2 3,1 17,8
Fracción (F) 8,5 / 17,8 6,2 / 17,8 3,1 / 17,8 17,8 / 17,8
0,48 0,35 0,17 1,00
Valor Adicional: F * L Req
Valor Ajustado: V. Previo + V. Adic.
0,48 * 5,125 = 2,46 ~ 2,5 8,5 + 2,5 = 11¶ 0,35 * 5,125 = 1,79 ~ 1,80 6,2 + 1,80 = 8¶ 0,17 * 5,125 = 0,87~ 1,0 3,1 + 1 = 4,1¶ Total Adicionado = 5,3¶
De acuerdo a estos resultados, se muestra nuevamente la tabla con el dimensionamiento ajustado para las especificaciones de PDVSA y su respectiva Relación de Esbeltez basada en dichos ajustes:
DIMENSIONAMIENTO AJUSTADO DEL SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL Según Normativa PDVSA Nivel de Altura
Especificación
Resultado
h0
h0= Dv/4
2,63¶
h1
h1= (Dv -Di)/2 ± h0
1,875¶
h2
h2 = 6¶¶ = 0,5¶
0,5¶
h3
h3 = 0,6Dv o 3¶¶(mín)
11¶
h4
h4 = Di
2¶
h5
h5 = 0,3Dv o 2¶ (mín)
8¶
h6
h6 = Cap. Líq. = 1¶ (min)
4,1¶
h7
N/A
N/A
h0
h0= Dv/4
2,63¶
L
-
27,475¶
Dv
-
10,5¶
L/Di
2,5 L/D 6,0
2,62
ANEXO Nº 1: DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL (GPSA)
De = 1,5¶
h0 = 2,5¶ h1 = 1,5¶ h2 = 0,5¶ h3 = 10¶ h4 = 4¶ Di = 2¶ h5 = 3,1¶ h6 = 3,1¶
Dv = 10¶
h7 = 3,1¶ h0 = 2,5¶
D = 1,17¶
ANEXO Nº 2: DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL (PDVSA)
De = 1,5¶
h0 = 2,63¶ h1 = 1,875¶ h2 = 0,5¶ h3 = 8,5¶ h4 = 2¶ Di = 2¶ h5 = 6,2¶
h6 = 3,1¶ Dv = 10,5¶ h0 = 2,63¶
D = 1,17¶
ANEXO Nº 3: DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADOR BIFÁSICO VERTICAL (PDVSA) RECALCULANDO ³L´ SIN LOS CASQUETES
De = 1,5¶
h0 = 2,63¶ h1 = 1,875¶ h2 = 0,5¶ h3 = 11¶ h4 = 2¶ Di = 2¶ h5 = 8¶
h6 = 4,1¶ Dv = 10,5¶ h0 = 2,63¶
D = 1,17¶
