USO DE DESNATADORES EN EL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA SKIMMERS IN THE WATER TREATING SYSTEM CRISTIANO ANDRES, LARA JEISON, URZOLA CARLOS Estudiantes de Ingeniería Ingeniería de Petróleos, Petróleos, Universidad Nacional de Colombia, 2015
RESUMEN: Luego de las etapas de producción trata!iento en la industria de los "idrocar#uros, es necesario disponer de los co!ponentes resultantes en dic"os procedi!ientos procedi!ientos de !anera adecuada, as$ co!o al gas al crudo se le de#en reali%ar una serie de procesos &ue los de'en listos para la (enta, uso en la industria o desec"o en caso de los gases de tea) ta!#i*n "a &ue proceder de la !is!a !anera con un +luido &ue se produce aco!paado de los "idrocar#uros, &ue "o en d$a es igual o !-s i!portante &ue se producen en cantidades in!ensa!ente in!ensa!ente (astas) *ste +luido es el agua) la cual "a ad&uirido i!portancia con el tie!po "o en d$a tiene !-s usos de los &ue ten$a anterior!ente, por lo tanto, *sta de#e cu!plir unas e.igencias para su reutili%ación (ar$an de acuerdo a lo &ue se (aa a reali%ar/ En el presente te.to nos en+ocare!os en la parte inicial del trata!iento de agua, el cual consiste en des(incular las i!pure%as, contenido de aceite 0o gas a1n presente en esta +ase/ Los e&uipos e!pleados en esta etapa son conocidos co!o desnatadores su +unción a groso !odo es desligar cual&uier sustancia distinta al agua, con el +in de &ue la +rase continua &uede lo !-s li!pia posi#le) se e.pondr-n los conceptos #-sicos &ue inter(ienen en este proceso, las (enta'as des(enta'as de los desnatadores, los tipos su di!ensiona!iento di!ensiona!iento de acuerdo a las caracter$sticas caracter$sticas re&ueridas/ PALABRAS CLAVE 2 Trata!iento, Reutili%ación, Separar, 3ase, Agua, Aceite, 4as, Desnatadores
ABSTRACT 2 A+ter t"e production and treat!ent stages in t"e "drocar#ons industr is necessar to "a(e properl t"e 5ates in t"e pre(ious procedures, as 5ell as t"e gas and oil recei(e a nu!#er o+ processes 5"ic" let t"e! read +or selling, using in t"e industr or discarding t"e!, also t"ere is a +luid t"at !ust recei(e a si!ilar process, t"is +luid is produced acco!panied # oil and gas, in addition it6s as i!portant as t"e "drocar#ons due to is produced in large &uantities/ T"is +luid is 5ater 5"ic" "a(e purc"ased i!portance in t"e ti!e and toda "as !ore uses t"an #e+ore, t"ere+ore, 5ater "a(e to carr out so!e re&uire!ents +or reusing it later, t"ese re&uire!ents c"ange in agree!ent to t"e 7ind o+ process/ In t"is te.t, 5e are going to +ocus in t"e initial pat o+ t"e 5ater treating sste!, 5"ic" consists in disentail t"e i!purit, i!purit, and t"e oil and gas content t"at are in t"e 5ater p"ase/ T"e e&uip!ents used in t"is stage are 7no5n li7e s7i!!ers and t"eir +unction is separate an su#stance di++erent +ro! t"e 5ater, in order to t"at, t"e continuous p"ase 85ater9 5ill #e clean as !uc" as can/ T"at is, 5e 5ill s"o5 t"e #asics concepts in(ol(ed in t"is process, ad(antages, disad(antages, tpes o+ s7i!!ers and t"eir si%ing in order to t"e re&uired +eatures/ KEYWORDS 2 treating, treat!ent, reuse, separate, p"ase, 5ater, oil, gas, s7i!!ers
1. INTRODUCCIÓN El agua producida producida contiene contiene un n1!ero n1!ero de sustancias sustancias,, ade!-s de los "idrocar#uros, &ue a+ectan la !anera en la cual se !ane'a esta/ La co!posición concentración de las sustancias pueden (ariar entre ca!pos e incluso entre di+erentes %onas de producción del !is!o ca!po, por lo
tanto el cuidado &ue se de#e tener con este +luido es su!a!ente i!portante de#ido a las e.igencias re&u re&uer erid idas as en sus sus po posi si#l #les es usos usos po post ster erio iore ress 8inec 8inecció ción, n, re+rig re+rigera erar, r, dilui diluir9 r9 o en su desec" desec"oo 8corrientes de agua naturales9/ Las aguas residuales de los ca!pos petroleros,
por lo general, contiene residuos aceitosos, !inerales, gases disueltos co!puestos -cidos) dependiendo del uso &ue se le (a a dar se de+ine desde las etapas iniciales cu-les son los re&ueri!ientos a!#ientales, pol$ticos 0o de operación &ue de#e cu!plir cu-les son los procesos &ue se (an a lle(ar a ca#o para &ue el agua los tenga/ Todo lo anterior "ace &ue el trata!iento del agua sea una parte i!portante en el !ane'o de los +luidos e.tra$dos del aci!iento, en un curso de sesenta aos las tecnolog$as para *ste proceso "an e(olucionado desde los !*todos !-s pri!iti(os "asta los !-s so+isticados para la separación/ Aun&ue en las pri!eras *pocas de la ingenier$a de petróleos la !isión principal era de'ar el petróleo li!pio del agua, gracias a las e.plotaciones off s!ore se tu(o !-s cuidado a las consideraciones a!#ientales se +ue capa% de !e'orar las pr-cticas inadecuadas para desec"ar los residuos o +luidos &ue no +ueran petróleo/ A pesar de &ue el trata!iento del agua aad$a !-s (alor al #arril de crudo, las e!presas e!pe%aron a desarrollar dispositi(os a !e'orarlos, e!pe%ando con una e!presa "olandesa 8:iel7enrood9 &ue +a#ricó unos tan&ues inclinados, pasando por S"ell &ue usó placas acanaladas, luego se utili%aron placas e!pacadas "asta llegar a la tecnolog$a actual/ Actual!ente, los desnatadores se #asan en tres principios son2 coalescencia, gra(edad +iltración/ Jugando con *stos tres +actores se disean di+erentes tan&ues de acuerdo a las necesidades a los re&ueri!ientos &ue de#e tener el agua para el posterior uso apro(ec"a!iento de *ste (alioso !aterial/ :or lo tanto se anali%ar- desde la +unda!entación teórica "asta las (enta'as des(enta'as de los desnatadores para concluir luego si es un #uen proceso o no/
2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El principio de +unciona!iento de los tratadores de agua en t*r!inos generales se #asan en los conceptos de coalescencia, e+ectos de gra(edad a la &ue son so!etidos los +luidos +lotacion) para los espacios en el siste!a de producción, en el &ue el +luido "ace su recorrido desde aci!iento, po%o 8#o!#as dependiendo del caso9, ca#e%a, ;+lo5 line<, c"o&ues, separadores, entre otros) el !is!o est- e.puesto a periodos de alta energ$a, propiciando la dispersión en gotas !-s pe&ueas de aceite 8o de agua, dependiendo del tipo de e!ulsión9 periodos de #a'a energ$a en las cuales esas pe&ueas gotas tienen la oportunidad de 'untarse, causando coalescencia "asta &ue se +or!en +ases de la !is!a naturale%a/
La separación por gra(edad es la t*cnica !-s utili%ada en el trata!iento de agua depende de la +uer%a de gra(edad &ue di(ide las pe&ueas gotas de aceite, de la +ase continua de agua/ la (elocidad con la &ue las gotas de aceite ascienden est- so!etida a la le de sto7es su representación !ate!-tica es2 >S4 d! = O=@/B.@− ?g Donde =o es la (elocidad de ascenso (ertical relati(a a la +ase continua, d! es el di-!etro de la gota de aceite, >S4 es la di+erencia entre la gra(edad espec$+ica del aceite el agua, ? g es la (iscosidad del agua/ De esta ecuación es posi#le (isuali%ar &ue a !edida en &ue las gotas de aceites son !-s grandes, se +a(orece el despla%a!iento de estas, a su (e% sucede esto con la di+erencia entre las gra(edades espec$+icas del agua el aceite, co!o se di'o anterior!ente/ Es aprecia#le &ue la 1nica (aria#le &ue es in(ersa!ente proporcional a la (elocidad de en este +enó!eno es la (iscosidad del aceite/ El proceso de coalescencia en los siste!as tratadores de agua depende !-s del tie!po &ue el proceso de dispersión, la coalescencia in!ediata rara (e% ocurre cuando dos gotas c"ocan/ En este proceso in+luen la energ$a cin*tica, la +recuencia de coalición la energ$a de ad"esión entre las part$culas/ Cuando la energ$a cin*tica es !aor &ue la +uer%a de ad"esión, la +recuencia de coalición au!entar- el contacto entre las gotas se ro!per- sin &ue se reali%a coalescencia ocurrir- el +enó!eno lla!ado dispersión/ Lo contrario pasa cuando no se aplica energ$a, las part$culas per!anecen en coalición pero a una !u #a'a +recuencia) entonces la coalescencia ocurrir- pero a una !u #a'a tasa/ :or lo tanto, lo ópti!o ser$a &ue la energ$a aplicada no sea tan alta, ni tan #a'a para &ue la +recuencia de coalición nos aude a au!entar el contacto por ad"esión entre las part$culas no las disperse/ La !aor$a de los tratadores de agua consisten de tan&ues en los cuales las gotas de aceite gracias a la coalescencia (an creciendo "asta &ue e!pie%an a ascender, llegando a la super+icie de#ido a las +uer%as de gra(edad/ El tie!po de creci!iento es lla!ado "eriodo de coalescencia depende de &u* tan dispersas est-n las part$culas de aceite)
entre !-s diluida est* la +ase dispersa !aor ser- el periodo de coalescencia) ade!-s se de#e conocer un (alor ópti!o para *ste de#ido a &ue si el +luido se de'a !-s tie!po del de#ido la capacidad de coalescencia se dis!inue perder$a!os tie!po dinero/ Al "a#lar de dispersión, nos re+eri!os a lo contrario de coalescencia, de#ido a &ue !ientras en la pri!era las gotas se "acen !-s pe&ueas se dispersan en el agua, en la segunda las gotas (an au!entando su ta!ao/ Sin e!#argo, estos procesos se dan si!ult-nea!ente) !ientras el !o(i!iento #rusco "ace &ue las part$culas se di(idan se dispersen en el agua, *stas por la coalición el +recuente contacto entre ellas se (an uniendo +or!ando unas !-s grandes &ue luego de nue(o se (an a di(idir/ :or lo tanto, se tendr- un ciclo con el ta!ao de las gotas, teniendo uno !$ni!o uno !-.i!o/ Fasado en lo anterior, se disean +iltros con +i#ras con las cuales "ar-n contacto las gotas de aceite +acilitar- la coalescencia con otras) "asta &ue llega un punto en el cual la gota se "ar- tan grande &ue las +i#ras no la pueden contener el +lu'o las arrastra consigo, de esta !anera se +acilita la separación por gra(edad el tie!po de retención de#er$a ser !enor/
3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Los tan&ues desnatadores 8S7i!!ers9 son general!ente el pri!er recipiente en el siste!a de trata!iento para el agua 8Naran'o, A/ @GBG9/ Estos reci#en el agua pro(eniente de los tan&ues despo'adores de agua li#re 83H3O9 en !enor proporción agua pro(eniente de tan&ues de la(ado de los 8Surge Tan79 8urti AlKNua!i, @GG@9/ stos nor!al!ente son diseados para proporcionar un largo tie!po de retención al agua, esto con la +inalidad de lograr la !aor separación posi#le de las +ases aguaKaceite por !*todos de coalescencia, dispersión separación por gra(edad 8Ste5art Arnold, B9/ Los tan&ues desnatadores pueden disearse para operar a presiones esta#lecidas u operar a presión at!os+*rica, estos 1lti!os son los !-s utili%ados, dado &ue o+recen !aor capacidad de (olu!en, son !enos costos son utili%ados en ca!pos de petróleo donde las tasas de producción de agua son altas/ Los desnatadores &ue operan a presión at!os+*rica general!ente son diseados para operar con un tie!po de retención de al !enos M !inutos, ade!-s en *stos se puede incluir e!pa&ues serpentines &ue +a(ore%can la coalescencia de las gotas de aceite disperso en el agua 8urti AlKNua!i, @GG@9/
La ter!inolog$a utili%ada para descri#ir los di+erentes e&uipos a !enudo es una +uente de gran con+usión/ Un Tan&ue Desnatador se descri#e co!o un tan&ue &ue se utili%a para eli!inar el aceite disperso en agua/ Un Tan&ue de Asenta!iento, por su parte, es a&uel cuo propósito principal es eli!inar los sólidos arrastrados por el agua/ :or otro lado, un Tan&ue de La(ado, co!o un despo'ador de agua li#re, se utili%a cuando el +luido l$&uido a tratar contiene @ a G de aceite, nor!al!ente el agua de los tan&ues de la(ado se en($a a un tan&ue desnatador para eli!inar el aceite restante 8Ste5art Arnold, B9/
3.1. Pa!"# $ %&'()*'a+)"'!* Al entrar el agua al desnatador, pro(eniente de tratadores o tan&ues de la(ado, se de'a en reposo en *l para &ue las part$culas de aceite, cuo ta!ao (ar$a entre P @P !icras, &ue a1n per!anecen suspendidas en el agua se puedan separar acu!ular en la parte superior de la +ase agua/ Cuando el +luido entre al desnatador se "ace pasar por una unidad de coalescencia distri#ución &ue consiste en un e!pa&ue de un di-!etro igual al del recipiente de un espesor entre @ pies ela#orado con gra(a o con gr-nulos de car#ón, aun&ue se pre+iere este 1lti!o por ser !enos pesado, inerte no su'eto al ata&ue de #acterias) ade!-s se puede li!piar +-cil!ente !ediante retroKla(ado no necesita ree!pla%arse/ Las +unciones de esta sección de coalescencia distri#ución son retener algo de #asura, distri#uir la corriente de +luido por todo el recipiente audar a la coalescencia de part$culas de aceite/ Al salir de la sección de coalescencia distri#ución el +luido pasa un segundo co!parti!iento conocido co!o sección de asenta!iento en la cual se separan las +ases) el petróleo &ue se acu!ula so#re la super+icie del al alcan%ar un re#osadero, &ue puede ser a'usta#le, pasa a un tercer co!parti!iento de donde es drenado a tra(*s de una (-l(ula &ue +unciona por ca#e%a de l$&uido) el agua se retira de la sección de asenta!iento a tra(*s de una (-l(ula accionada por un control de ni(el o por un !ecanis!o de si+ón 8Naran'o, @GBG9/ F),&a 2 8Ste5art Arnold, B9/
F),&a 2. Es&ue!a de la sección longitudinal de un tan&ue desnatador/ F),&" 2. Sc"e!atic o+ a s7i!!er tan7
3.2. C-a#)%)(a()'
F),&a 3. Es&ue!a Longitudinal de un desnatador "ori%ontal/ F),&" 3. Sc"e!atic o+ a "ori%ontal s7i!!er tan7/
Los tan&ues desnatadores se pueden clasi+icar de (arias !aneras2 De acuerdo a la presión de operación2
3.2.1. P"#&)/a0*#: Se utili%an cuando el agua a desnatar pro(iene de un siste!a &ue tra#a'a#a a alta presión) dado &ue dic"a agua puede tener gases disueltos &ue al desco!pri!irlos a#rupta!ente pueden generar daos/ 3.2.2. A!+*#%)(*#: Se utili%an cuando las cantidades de agua a tratar son ele(adas no "a !uc"os pro#le!as asociados a so#represión a alto contenido de gas disuelto/ De acuerdo a su con+iguración2 La selección del tipo de con+iguración de desnatador a utili%ar, depender principal!ente de las caracter$sticas del agua a tratar de la disponi#ilidad de espacio en la planta para su disposición/
3.2.3. H*)/*'!a-"#: Son utili%ados cuando los (ol1!enes de agua a tratar son altos, la cantidad de gas disuelto en el l$&uido es alta "a una #a'a concentración de arena part$culas sólidas asociadas al agua/ F),&a 3 8Ste5art Arnold, B9/ 3.2.. V"!)(a-"#: Son utili%ados cuando los (ol1!enes de agua a tratar son relati(a!ente !enores en co!paración con los "ori%ontales, la cantidad de gas disuelto en el l$&uido es #a'a "a una alta concentración de arenas part$culas sólidas/ F),&a 8Ste5art Arnold, B9/
F),&a . Es&ue!a Longitudinal de un desnatador =ertical/ F),&" . Sc"e!atic o+ a (ertical s7i!!er tan7/
3.3. D)+"'#)*'a+)"'!* S!"4a! 5 A'*-06 27789 El di!ensiona!iento del desnatador se "ace de una !anera si!ilar al de los separadores tri+-sicos/
3.3.1. D"#'a!a0*"# H*)/*'!a-"#: El di-!etro longitud re&uerida para &ue un tan&ue desnatador de estructura cil$ndrica &ue opera lleno de agua "asta la !itad se pueden deter!inar siguiendo la le de Sto7es !ediante la ecuación2
d L eff =
1000 Q w μ w
H =0,7
2
(∆ SG)( d m)
( t r )w Qw d
2
Donde2
Donde2
Di-!etro interno del tan&ue, pulgadas Leff : Longitud e+ecti(a a la cual ocurre la separación, +t μw : =iscosidad del agua, cp Q w : Tasa de +lu'o de agua, ##l0d d m : Di-!etro de las gotas de aceite, !icrones Di+erencia entre la gra(edad ∆ SG : espec$+ica del aceite el agua/
Di-!etro interno del tan&ue, in H : Altura del agua, +t Qw : Tasa de +lu'o de agua, ##l0d d m : Di-!etro de las gotas de aceite, !icrones
d:
3.3.2. D"#'a!a0*"# V"!)(a-"#2 Se puede deter!inar el di-!etro re&uerido de un tan&ue cil$ndrico (ertical, !ediante la suposición de &ue la (elocidad de ascenso del aceite es igual a la (elocidad pro!edio del agua, de la siguiente !anera2
Qw μ w 2 d =6691 F ( ∆ SG )( d m )2
d:
. PROBLEMAS POTENCIALES Los desnatadores no se reco!iendan cuando2 • Las gotas de aceite &ue llegan al desnatador son !enores a @ !icras/ • El ta!ao el peso son las principales consideraciones/ • El !o(i!iento de las estructuras de offs!ore puede generar olas en los tan&ues/ • La te!pratura del agua es !u +ria/
. CONCLUSIONES Donde2 Di-!etro interno del tan&ue, in μw : =iscosidad del agua, cp Q w : Tasa de +lu'o de agua, ##l0d d m : Di-!etro de las gotas de aceite, !icrones Di+erencia entre la gra(edad ∆ SG : espec$+ica del aceite el agua/ 3actor de corrección en caso de F : ocurrencia de tur#ulencias o corto circuito 83Q@ para desnatadores con d B in 3Qd0B para desnatadores con d B in9/ d:
La altura del desnatador (ertical se puede deter!inar conociendo la altura &ue alcan%a el agua contenida en este sa#iendo &ue el contenido t$pico de agua en el desnatador, para garanti%ar una separación aguaKaceite e+iciente, de#e ser de entre el P de (olu!en total/ As$ una (e% deter!inado el di-!etro del desnatador se puede calcular el tie!po de retención del agua la altura del agua en el desnatador !ediante la siguiente ecuación2
Dada toda la in+or!ación acerca de los desnatadores su i!portante !isión en una planta de trata!iento de agua, (e!os &ue es !u (ia#le usarlos aun&ue su !*todo de tra#a'o se #asa en principios +$sicos lentos/ Los desnatadores tienen !u #a'o precio cuando no se reali%a en o++s"ore las des(enta'as dis!inuen, su !anteni!iento, control diseo son +-ciles/ En caso de &ue los re&ueri!entos para el agua no sean tan e.igentes, *ste e&uipo es adecuado para el trata!iento/
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