REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL. DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN EXTRACCIÓN DE CRUDOS PESADOS
TRABAJO TRABA JO EJERCICIO DE DISEÑO DE SEPARADOR VERTICAL
Ing Gil Ulianov CI 14195917 Caracas, Abril 2012
ENUNCIADO DE EJERCICIO
Diseñar un separador vertical bifásico gas-líquido. Utilizando los dos métodos descritos en el material de clase • Presión =115 lpcm • Temperatura =100 ° F • Gravedad especifica del gas (g.e) = 0.65 • Gravedad API = 14 • Caudal de líquido (Ql) = 10 MBPD • Caudal de gas (Qg) = 5 MMPCSD
Determinación de Valores Preliminares:
Para el Calculo del factor de compresibilidad es requerido disponer de las Temperatura y Presión Seudo Reducidas (Tpr y Ppr).
Definidas por la
siguiente ecuación:
Para el Cálculo de la presión seudo Crítica (Ppc) y Temperatura seudo Crítica (Tpc) se uso la correlación Sutton, a saber:
Donde Sg corresponde a la gravedad Específica del Gas γg.
El Factor de Compresibilidad se determinó haciendo uso de la correlación planteada por Brill & Beggs, a saber:
Densidad del Gas a condiciones de operación P y T (ρg)
Para el calculo de ρg, se hace uso la ley de Gases ideales ajustada con el Factor de Compresibilidad, a saber: ρg= p*M/(z*R*T) Donde p = Presión de Operación / M = Peso Molecular del Gas/ z = Factor de Compresibilidad / R = Constante Universal de los Gases (10,73) / T = Temperatura en °R.
Para el Cálculo de Peso Molecular del Gas, se uso la siguiente formula:
Densidad del Liquido a condiciones de operación P y T
La gravedad específica del crudo
se puede calcular en función de su
gravedad API, mediante la seguiente formula: γo = (141,5)/(131,5 + °API)
con el valor de gravedad especifica se puede obtener la densidad del liquido. A saber: ρo
Donde
ρa
= γo * (ρa a P y T operación)
a P y T operación se refiere a la densidad del agua a condiciones
de Presión y Temperatura de Operación (115 lpcm y 100 °F) --> 62,4 lb/ft3
Caudal de Gas a condiciones de operación P y T
Para obtener el Caudal de Gas a las condiciones de Operación (P y T) se hace uso de la siguiente formula.
Luego se procede a la normalización de Día a Segundos ( 1 Día = 24h* (3600 seg)
Caudal de Liquido a condiciones de operación P y T
Para obtener el caudal de liquido a condiciones de operación solo se efectuan las conversiones de unidades respectivas, a saber –
Un Barril de Petroleo corresponde a 5,6146 ft3
–
Un Día corresponde a 24hrs , 1 hr a 3600 seg.
Flujo Másico de Gas y Liquido a condiciones de operación P y T
Se proceden a usar las siguientes formulas: Wg = ρg*Qg y
Wl = ρo*Ql
Donde Wg y Wl corresponden al flujo másico de gas y crudo respectivamente, ρg (Densidad de Gas a P y T) , Qg (Caudal de Gas a P y T) , ρo (Densidad del crudo) , Ql (Caudal del crudo) . A continuación se Presenta una tabla resumen de los Valores Calculados:
Factor de Compresibilidad (z)
0,9860
Densidad del Gas (ρg) a Condiciones P y T
0,3654 lb/ft3
Densidad del liquido (ρo) a Condiciones P y T
60,6845 lb/ft3
Caudal de Gas (Qg) a Condiciones P y T
6,9643 ft3/seg
Caudal de Gas (Ql) a Condiciones P y T
0,6498 ft3/seg
Flujo Másico de Gas (Wg) a Condiciones P y T
2,5447 lb/seg
Flujo Másico de liquido (Wl) a Condiciones P y T
39,4351 lb/seg
Los detalles de los cálculos están presentes en la hoja de calculo anexa “DISEÑO DE SEPARADOR VERTICAL UGIL.xls”
Desarrollo y Cálculos Método # 1 Considerando la siguiente figura:
Para un Correcto Diseño del separador es necesario Determinar las Dimensiones de :
Diámetro del Recipiente (D)
Altura Total del Separador (L)
Diámetro de la Boquilla de Entrada (Dp)
Diámetro de la Boquilla de Salida de Gas (Dg)
Diámetro de la Boquilla de Salida de Liquido (Dl)
Es este sentido, se realizan las siguientes pasos, consideraciones y se presentan los cálculos respectivos:
En función de este método NBBL (Nivel Bajo Bajo) debe ser como mínimo 9 pulg. (Se asume NBBL = 9 pulg / 0,75 ft)
Calculo de Velocidad Critica (Vc) y Velocidad Permisible (Vv) del Gas
Para el cálculo del Diámetro es requerido determinar la Velocidad Critica del Gas (Vc) y la correspondiente Velocidad permisible (Vv) La velocidad crítica es una velocidad de vapor calculada empíricamente que
se utiliza para asegurar que la velocidad superficial de vapor, a través del separador, sea lo suficientemente baja como para prevenir un arrastre excesivo de líquido. La velocidad de vapor permisible en en el recipiente (Vv), será un porcentaje de la velocidad crítica de acuerdo a lo establecido en los criterios de diseño. Como practica común se considera que la velocidad recomendada no supere el 80% de la velocidad crítica La velocidad crítica, se calcula a través de la aplicación de la ecuación de Souders y Brown.
Área de la sección transversal del recipiente Se calcula mediante la siguiente ecuación:
Donde Qv corresponde a Qg (Caudal de Gas a P y T)
Diámetro del recipiente Se calcula mediante la siguiente formula:
Calcular el volumen de retención entre el NAAL y el NBBLVolumen de retención entre el NAL y el NBL:
El criterio para selección del tiempo de Retención Tr responde a la normativa PDVSA para crudos menores de 25 API. (Tr= 5 min). El volumen de retención de líquido por tiempo de respuesta del
operador
al accionarse la alarma (sea de alta o de baja), entre el
NAAL y el NAL (o
entre el NBBL y el NBL) se obtiene multiplicando el flujo
de alimentación
líquida por el tiempo de respuesta
Volumen de retención máximo
Altura entre el fondo del tambor y el NAAL
Altura desde NAAL a la boquilla de entrada (Se consideran como mínimo 2ft)
Diámetro de las boquillas de entrada y salida
El criterio de selección de los diámetros de las boquillas de entrada y salida tiene como finalidad diminuir las pérdidas por efectos de la entrada y salida de los fluidos al recipiente y, por lo general, se calcula con una velocidad igual o menor que el 80% de la velocidad de erosión. Aunque no debe ser el único criterio que se tome en cuenta, por ejemplo, diámetros muy grandes
para el manejo de líquidos facilita la formación de vórtices y tiempos de respuesta largo en las acciones de control.
Diámetro de Boquilla de entrada (Dp) , se aplica las siguientes formulas:
La velocidad de la boquilla de entrada no debe exceder a 30ft/s
Diámetro de la boquilla de salida de gas (Dg), se aplica las siguientes formulas:
Diámetro de la boquilla de salida de líquido (Dl), se aplica la siguiente formula:
Altura desde la boquilla de entrada y la malla Usar como mínimo 2ft o 0,5D (lo que sea mayor).
Altura de la malla se considera 6 pulg o 0,5ft. Distancia mínima permisible entre el tope de la malla y la línea tangente superior. 0,15D ó 16Pulg.
Altura efectiva permisible del tambor responde a la siguiente formula:
El diseño debe cumplir con el criterio 3,5
Efectuando la primera corrida de calculos de Diseño, se obtuvieron los siguientes valores de L = 128 ft y D (Diametro del Recipiente) = 30 pulg. Esto entrega una relación L/D = 51,2 , la cual no cumple con los criterios de diseño al ser mayor de 6. Por lo tanto se efectuó otras corridas para Diferentes diametros D, obteniendo el valor optimo en D= 70 pulg, arrojando una altura de diseño del separador (L) = 31 ft. (Relación L/D = 5,31)
A continuación se presenta una tabla resumen de los valores de diseño del separador bajo el metodo #1. Diseño del Separador Método #1
Diámetro del Recipiente (D)
70 pulg
Altura del Recipiente (L)
31 ft
Diámetro de Boquilla de Entrada (Dp)
10 pulg
Diámetro de Boquilla de Salida de Gas (Dg)
4 pulg
Diámetro de Boquilla de Salida de Liquido 4 pulg (Dl) Relación L/D
5,31
Los detalles de los cálculos están presentes en la hoja de calculo anexa “DISEÑO DE SEPARADOR VERTICAL UGIL.xls”
Desarrollo y Cálculos Método # 2
Calcular la velocidad de diseño de la corriente de gas aplicando la ecuación de Souders y Brown
Donde la selección del criterio de K, responde a la normativa PDVSA 90616.1.027.
Para el caso de estudio la relación Wl/Wg= 15,4968, por lo tanto K = 0,2.
Disponiendo previamente del flujo Volumétrico de Gas (Qg) y del calculo de Vc , se determinar del área de la sección transversal del recipiente.
El diámetro del recipiente e calcula mediante la siguiente formula:
Se debe aproximarse el valor al diámetro práctico inmediato superior (por ejemplo, uno que se ajuste a un cabezal estándar) y recalcular el área dea sección transversal.
Calcular el volumen de retención de líquido, se usa la siguiente formula:
Al igual que en el metodo #1 Tr = 5 min (motivado a que API = 14 , <25)
Altura de líquido almacenado en el recipiente. Aplica la siguiente formula:
Calcular el diámetro de las boquillas
Diámetro de Boquilla de entrada (Dp) , Para calcular la velocidad permisible en la boquilla de alimentación se aplica la ecuación de velocidad erosional, lo cual corresponde al 50% de la misma; algunos diseños, aplican el 80% para flujo continuo. Según Martínez (1991,p. 65). La velocidad de la boquilla de entrada no debe exceder a 30ft/s. Al igual que en el metodo #1, las formulas a aplicar son:
Diámetro de la boquilla de salida de gas (Dg), se aplica las siguientes formulas:
Diámetro de la boquilla de salida de líquido (Dl), Para el caso de la máxima velocidad en la línea de salida de líquido, se consideran velocidades máximas entre 3 – 4 pies/seg. se aplica la siguiente formula:
Chequeo de Relación L/D
Se determina la longitud total de costura a costura del recipiente, considerando las relaciones económicas L/D del mismo, con el margen entre 2,5 – 6. Se verifica que la relación L/D final calculada se ubique en este rango. Efectuando la primera corrida de calculos de Diseño, se obtuvieron los siguientes valores de L = 70 ft y D (Diametro del Recipiente) = 24 pulg. Esto entrega una relación L/D preliminar = 34,57 , la cual no cumple con los criterios de diseño al ser mayor de 6. Por lo tanto se efectuó otras corridas para Diferentes diametros D, obteniendo el valor optimo en D= 50 pulg, arrojando una altura de diseño Del Separador L= 22 ft. (Relación L/D = 5,13)
A continuación se presenta una tabla resumen de los valores de diseño del separador bajo el metodo #2. Diseño del Separador Método #2
Diámetro del Recipiente (D)
50 pulg
Altura del Recipiente (L)
22 ft
Diámetro de Boquilla de Entrada (Dp)
10 pulg
Diámetro de Boquilla de Salida de Gas (Dg)
6 pulg
Diámetro de Boquilla de Salida de Liquido 4 pulg (Dl) Relación L/D
5,13
Los detalles de los cálculos están presentes en la hoja de calculo anexa “DISEÑO DE SEPARADOR VERTICAL UGIL.xls”
Bibliografía
Msc Mariangel Ruiz, Presentación “Producción de Crudos Pesados Flujos Multifásicos” Msc Mariangel Ruiz, Presentación
“produccion de petroleo Clase
Separadores” Banzer,
Carlos
(1996).
Correlaciones
Numéricas
PVT .
Maracaibo,
Venezuela. Universidad del Zulia [Documento en línea] disponible: http://es.scribd.com/doc/29328917/Correlaciones-Pvt-Carlos-Banzer
