Principios Básicos. Tambores Separadores

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEPARACION SEPARACION FISICA FIS ICA TAMBORES SEPARADORES

PDVSA N °

MDP–03–S–01

0

JUN.95

REV.

FECHA

APROB.

E

PDVSA, 1983

TITULO

PRINCIPIOS BASICOS

29 DESCRIPCION FECHA

PAG. APROB.

REV.

APROB. APROB. FECHA

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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SEPARACION FISICA TAMBORES SEPARADORES SEPARADORES PRINCIPIOS BASICOS Indice manual

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PDVSA MDP –03 –03 –S –S –01 –01

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 C CO ONSIDERACIONES BASICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Separadores físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Principios de la separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Proceso de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Consideraciones iniciales en el diseño de un separador vapor–líquido . 4.5 Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Clasificación y descripción de los separadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Descripción de los internos de un separador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Problemas operacionales típicos a tomar en cuenta en el diseño . . . . . . 5 GUÍ A GENERAL PARA EL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Separadores de producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Consideraciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Guía a Seguir para todo tipo de tambores separadores . . . . . . . . . . . . . . 6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3 5 6 6 8 11 15 16 16 16 17 20

7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1 Separadores gas–liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2 Separador vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3 Separador horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4 Separador centrifugo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5 Separador filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6 Tipos de deflectores y distribuidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7 Tipos de eliminadores de niebla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 8 Otros internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 C CO ONSIDERACIONES BASICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Separadores físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Principios de la separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Proceso de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Consideraciones iniciales en el diseño de un separador vapor–líquido . 4.5 Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Clasificación y descripción de los separadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Descripción de los internos de un separador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Problemas operacionales típicos a tomar en cuenta en el diseño . . . . . . 5 GUÍ A GENERAL PARA EL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Separadores de producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Consideraciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Guía a Seguir para todo tipo de tambores separadores . . . . . . . . . . . . . . 6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1 Separadores gas–liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2 Separador vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 3 Separador horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4 Separador centrifugo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5 Separador filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6 Tipos de deflectores y distribuidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7 Tipos de eliminadores de niebla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 8 Otros internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVO El objetivo de esta secci ón es proporcionar los fundamentos te óricos que permitan una óptima comprensión de la terminolog ía relacionada con el área de las separaciones separaciones f ísicas de flu ídos, haciendo énfasis en la separaci ón vapor – –líquido. El tema “Tambores Separadores ”, dentro del área de “Separaci ón F ísica”, en el Manual de Dise ño de Procesos (MDP), est á cubierto por los siguientes documentos: PDVSA –MDP – Descripci ón de Documento 03 –S –01 Tambores Separadores: Principios B ásicos (Este documento) 03 –S –03 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Vapor 03 –S –04 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Líquido 03 –S –05 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Líquido –Vapor Este documento, junto con los dem ás que cubren el tema de “Tambores Separadores ”, dentro del Manual de Dise ño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizaci ón de la Práctica de Diseño “TAMBORES”, presentada en la versi ón de Junio de 1986 del MDP (Secci ón 5).

2

ALCANCE Este documento presenta los conceptos requeridos en el dise ño de tambores separadores de mezclas de vapor vapor –líquido, líquido –líquido y líquido –líquido –vapor; tales como: principios b ásicos de la separaci ón de mezclas, descripci ón de los diferentes tipos de separadores e internos que lo conforman, y los fundamentos teóricos que rigen el dise ño de los mismos.

3

REFERENCIAS 1. PDVSA, PDVSA, MANU MANUAL AL DE DISE DISEÑO DE PROCESOS, PRACTICAS DE DISE ÑO, Vol 2, Secci ón 5: “TAMBORES”, Junio 1986. 2. Garcia, Garcia, S. y Madriz Madriz J., J., “Evaluaci ón de t écnicas de separaci ón Gas –Petróleo. INT –EPPR –00019,94 Septiembre 1994. Los Teques. 3. Gas Processor Processor Suppliers Suppliers Association (GPSA) (GPSA) Engineering Engineering Data Book, Book, Vol 1, Section 7 “Separators and Filter ”. Tenth Edition, 1987. 4. International International Human Resources Resources Development Development Corporation, Corporation, “Two –phase Separators ”. 1984.

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CONSIDERACIONES BASICAS 4.1

Separadores físicos Prácticamente cada proceso en la IPPCN requiere de alg ún tipo de separaci ón de fases. El término separador es aplicado a una gran variedad de equipos usados para separar mezclas de dos o m ás fases. Estas mezclas pueden estar formadas por: una fase vapor y una l íquida; una fase vapor y una s ólida; dos fases l íquidas inmiscibles (aceite/agua); una fase vapor y dos l íquidas o alguna otra combinaci ón de las anteriores. El diseño apropiado de los separadores es de suma importancia, debido a que estos tipos de recipientes son normalmente los equipos iniciales en muchos procesos. Un dise ño inadecuado puede crear un cuello de botella que reduzca la capacidad de producci ón de la instalaci ón completa.

4.2

Principios de la separación En el diseño de separadores es necesario tomar en cuenta los diferentes estados en que pueden encontrarse los flu ídos y el efecto que sobre éstos puedan tener las diferentes fuerzas o principios f ísicos. Los principios fundamentalmente considerados para realizar la separaci ón f ísica de vapor, líquidos o sólidos son: el momentum ó cantidad de movimiento, la fuerza de gravedad y la coalescencia. Toda separaci ón puede emplear uno o m ás de estos principios, pero siempre las fases de los flu ídos deben ser inmiscibles y de diferentes densidades para que ocurra la separaci ón.

4.2.1

Momentum (Cantidad de Movimiento) Fluídos con diferentes densidades tienen diferentes momentum. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de direcci ón, el fuerte momentum o la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que la part ículas de la fase pesada se muevan tan r ápidamente como las de la fase liviana, este fen ómeno provoca la separaci ón.

4.2.2

Fuerza de gravedad Las gotas de l íquido se separan de la fase gaseosa, cuando la fuerza gravitacional que actúa sobre las gotas de l íquido es mayor que la fuerza de arrastre del flu ído de gas sobre la gota. Estas fuerzas definen la velocidad terminal, la cual matemáticamente se presenta usando la ecuaci ón siguiente: [Ec. (1)]

Vt=





4g d p ρ – l ρg 3ρgC



Ec. (1)



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donde:

Vt g dp ρg ρl

C’

Velocidad terminal de la gota de l íquido Aceleración de la gravedad Diámetro de la gota Densidad del gas Densidad del líquido Coeficiente de arrastre que depende del Número de Reynolds

= = = = = =

En unidades En unidades SI inglesas m/s pie/s 2 9.807 m/s 32.174 pie/s2 m pie kg/m3 lb/pie 3 kg/m3 lb/pie 3 adimensional

Para el caso de decantaci ón de una fase pesada l íquida discontinua en una fase liviana l íquida continua, aplica la ley de Stokes [Ec. (2)]: F 1 g d p 2 ρP _ ρL Vt= 18 m

Ec. (2)

donde:

Vt dp F1

= = =

g

= = = =

ρP ρL m

Velocidad terminal de decantaci ón Diámetro de la gota. Factor cuyo valor depende de las unidades usadas Aceleración de la gravedad. Densidad de la fase pesada. Densidad de la fase liviana. Viscosidad de la fase continua.

En unidades SI m/s m 1000

En unidades inglesas pie/s pie 1

9.807 m/s2 kg/m3 kg/m3 mPa.s

32.174 pie/s2 lb/pie 3 lb/pie 3 lb/pie/s

Esta relación aplica para n úmeros de Reynolds de gota menores de 2, y puede demostrarse que la mayoría de los casos de decantaci ón caen en el rango de la ley de Stokes. Básicamente, la ley de Stokes puede usarse para la “flotación” de una fase liviana líquida discontinua en una fase pesada l íquida continua, teniendo en cuenta que la viscosidad es de la fase continua, en este caso, la fase pesada. 4.2.3

Coalescencia Las gotas muy peque ñas no pueden ser separadas por gravedad. Estas gotas se unen, por medio del fen ómeno de coalescencia, para formar gotas mayores, las cuales se acercan lo suficientemente como para superar las tensiones superficiales individuales y poder de esta forma separarse por gravedad.


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4.3

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Proceso de separaci ón En el caso de mezclas vapor –líquido, la mezcla de fases entra al separador y, si existe, choca contra un aditamento interno ubicado en la entrada, lo cual hace que cambie el momentum de la mezcla, provocando as í una separaci ón gruesa de las fases. Seguidamente, en la secci ón de decantaci ón (espacio libre) del separador, actúa la fuerza de gravedad sobre el flu ído permitiendo que el l íquido abandone la fase vapor y caiga hacia el fondo del separador (secci ón de acumulaci ón de líquido). Esta secci ón provee del tiempo de retenci ón suficiente para que los equipos aguas abajo pueden operar satisfactoriamente y, si se ha tomado la previsi ón correspondiente, liberar el l íquido de las burbujas de gas atrapadas. En el caso de separaciones que incluyan dos fases l íquidas, se necesita tener un tiempo de residencia adicional, dentro del tambor, lo suficientemente alto para la decantaci ón de una fase l íquida pesada, y la “flotación” de una fase l íquida liviana Normalmente, pueden identificarse cuatro zonas principales en los separadores (Fig. 1.): Separaci ón primaria El cambio en la cantidad de movimiento de las fases a la entrada del separador genera la separaci ón gruesa de las fases. Esta zona incluye las boquillas de entrada y los aditamentos de entrada, tales como deflectores ó distribuidores. Separaci ón secundaria Durante la separaci ón secundaria se observan zonas de fase continua con gotas dispersas (fase discontinua), sobre la cual act úa la fuerza de gravedad. Esta fuerza se encarga de decantar hasta cierto tama ño de gotas de la fase pesada discontinua en la fase liviana continua. Tambi én produce la flotaci ón de hasta un cierto tama ño de gotas de la fase l íquida liviana (fase discontinua), en la fase pesada continua. En esta parte del recipiente la fase liviana se mueve a una velocidad relativamente baja y con muy poca turbulencia. Separaci ón por coalescencia En ciertas situaciones, no es aceptable que gotas muy finas de la fase pesada discontinua sean arrastradas en la fase liviana: por ello es necesario que, por coalescencia, tales gotas finas alcancen un tama ño lo suficientemente grande para separarse por gravedad: para lograrlo se hace necesario tener elementos como los eliminadores de niebla ó Mallas para el caso de separadores l íquido –vapor, o las esponjas o platos coalescedores, en el caso de la separaci ón líquido –líquido (No está dentro del alcance de esta versi ón del MDP).



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Recolecci ón de las fases l í quidas Las fases líquidas ya separadas requieren de un volumen de control y emergencia para una operaci ón confiable y segura de los equipos aguas abajo.

4.4

Consideraciones iniciales uido vapor –l íq

en

el

dise ño

de

un

separador

Para el dise ño adecuado de un separador vapor –líquido, es necesario tomar en cuenta los puntos siguientes:

4.5 4.5.1

a.

La energía que posee el flu ído al entrar al recipiente debe ser controlada.

b.

Los flujos de las fases l íquida y gaseosa deben estar comprendidos dentro de los límites adecuados que permitan su separaci ón a través de las fuerzas gravitacionales que act úan sobre esos flu ídos y que establezcan el equilibrio entre las fases l íquido –vapor.

c.

La turbulencia que ocurre en la secci ón ocupada principalmente por el vapor debe ser minimizada

d.

La acumulaci ón de espuma y part ículas contaminantes deben ser controladas.

e.

Las fases l íquidas y vapor no deben ponerse en contacto una vez separadas.

f.

Las regiones del separador donde se puedan acumular s ólidos deben, en lo posible, estar provistos de facilidades adecuadas para su remoci ón.

g.

El equipo ser á provisto de la instrumentaci ón adecuada para su funcionamiento adecuado y seguro en el marco de la unidad/planta a la que pertenece

Definiciones Fases (en operaciones de Producci ón y Refinaci ón de Petr óleo) En operaciones de separaci ón de fases en Producci ón y/ ó Refinaci ón de Petróleo, normalmente se hablar á de las siguientes: Vapor –Líquido: El vapor ó gas es la fase liviana continua, y el l íquido es la fase pesada discontinua. HC líq –Agua: El hidrocarburo líquido (HC líq) es la fase liviana continua y el agua es la fase pesada discontinua (Decantaci ón de Agua en aceite) Agua –HC líq.: El agua es la fase pesada continua y el hidrocarburo ó aceite es la fase liviana discontinua (Flotaci ón de Aceite en agua).

4.5.2

Velocidad cr í tica La velocidad cr ítica es una velocidad de vapor calculada emp íricamente que se utiliza para asegurar que la velocidad superficial de vapor, a trav és del tambor





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separador, sea lo suficientemente baja para prevenir un arrastre excesivo de líquido. Tal velocidad no est á relacionada con la velocidad s ónica. La velocidad crítica viene definida por la Ec. (3). Vc + F 2

 –

ρ ρg l ρg

Ec. (3)

donde:

Vc

4.5.3

ρl

= =

ρg

=

F2

=

Velocidad crítica Densidad del líquido a condiciones de operación Densidad del vapor a condiciones de operación Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades SI

En unidades inglesas

m/s kg/m3

pie/s lb/pie 3

kg/m3

lb/pie 3

0.048

0.157

Flujo normal de vapor El flujo normal de vapor (o gas), es la cantidad m áxima de vapor alimentada a un tambor separador a condiciones t ípicas de operaci ón (es decir, en ausencia de perturbaciones tales como las que aparecen a consecuencia de inestabilidades del proceso o a p érdidas de la capacidad de condensaci ón aguas arriba del mismo). Los tambores separadores son altamente efectivos para flujos de vapor del orden de 150% del flujo normal y, por lo tanto, no es necesario considerar un sobredise ño en el dimensionamiento de tales tambores. Si se predicen flujos mayores al 150%, el diseño del tambor debe considerar dicho aumento.

4.5.4

Eficiencia de la separaci ón La eficiencia de separaci ón del l íquido se define seg ún la Ec.(4). E + 100

(F –C) F

Ec. (4)




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donde:

E F C

= = =

4.5.5

Eficiencia de separaci ón, % Flujo del líquido alimentado al tambor líquido arrastrado hacia la cabecera del tambor

En unidades SI

En unidades inglesas

kg/s kg/s

lb/h lb/h

Internos Para ayudar al proceso de separaci ón y/ ó impedir problemas de operaci ón aguas abajo del equipo separador, dentro del tambor se incluyen ciertos aparatos, los cuales ser án conocidos gen éricamente como “Internos ”. Entre los internos m ás usados se tienen:

– Deflectores / Distribuidores / Ciclones de entrada : Estos aditamentos internos adosados a la(s) boquilla(s) de entrada, se emplean para producir un cambio de cantidad de movimiento o de direcci ón de flujo de la corriente de entrada, y as í producir la primera separaci ón mecánica de las fases, además de generar (en el caso de los distribuidores), un patr ón de flujo dentro del recipiente que facilite la separaci ón final de las fases, reduciendo posiblemente el tama ño de la boquilla de entrada y, en cierta medida, las dimensiones del equipo mismo. – Eliminadores de Niebla: Los eliminadores de niebla son aditamentos para eliminar peque ñas gotas de l íquido que no pueden ser separadas por la simple acción de la gravedad en separadores vapor –líquido. Entre los diferentes tipos existentes, destacan las mallas de alambre ó plástico, conocidos popularmente como “demisters ” ó “Mallas” – Rompe vórtices: Están adosados internamente a las boquillas de l íquido, y su funci ón es evitar el arrastre de burbujas de vapor/gas en la corriente líquida que deja el tambor.

4.6

Clasificació n y descripci ón de los separadores Los separadores pueden clasificarse, seg ún su forma en:

– Separadores cil índricos – Separadores esf éricos – Separadores de dos barriles También los separadores cil índricos pueden clasificarse seg ún su orientaci ón en: – Separadores verticales – Separadores horizontales




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Otra clasificaci ón sería de acuerdo a la manera de inducir f ísicamente la separaci ón:

– Separadores por gravedad (t ípico separador vertical gas –líquido) – Separadores por impacto (separadores de filtro) – Separadores por fuerza centr ífuga (separadores centr ífugos) A continuaci ón se hace una breve descripci ón de algunos de estos tipos de separadores y, en el caso de los separadores m ás usados (verticales y horizontales), se presentan algunas ventajas y desventajas. 4.6.1

Separadores verticales (Fig. 2.) En estos equipos, la fase pesada decanta en direcci ón opuesta al flujo vertical de la fase liviana. Por consiguiente, si la velocidad de flujo de la fase liviana excede levemente la velocidad de decantaci ón de la fase pesada, no se producir á la separaci ón de fases, a menos que esta fase pesada coalesca en una gota m ás grande. Entre las ventajas y desventajas del separador vertical est án: Ventajas

– Normalmente empleados cuando la relaci ón gas o vapor –líquido es alta y/o cuando se esperan grandes variaciones en el flujo de vapor/gas.

– Mayor facilidad, que un tambor horizontal, para el control del nivel del l íquido, y para la instalaci ón física de la instrumentaci ón de control, alarmas e interruptores.

– Ocupa poco espacio horizontal – La capacidad de separaci ón de la fase liviana no se afecta por variaciones en el nivel de la fase pesada.

– Facilidad en remoci ón de sólidos acumulados. Desventajas

– El manejo de grandes cantidades de l íquido, fuertes variaciones en la entrada de l íquido, ó separaci ón líquido –líquido, obliga a tener excesivos tamaños de recipientes, cuando se selecciona esta configuraci ón. – Requieren mayor di ámetro, que un tambor horizontal, para una capacidad dada de gas. – Requieren de mucho espacio vertical para su instalaci ón

– Fundaciones más costosas cuando se comparan con tambores horizontales equivalentes.

– Cuando hay formaci ón de espuma, o quiere desgasificarse l íquido ya recolectado, se requieren grandes vol úmenes de líquido y, por lo tanto, tamaños grandes de tambores verticales.




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Como ejemplos de separadores verticales, tenemos:

– Tambor KO de succi ón de compresor: Se requiere una separaci ón líquido –vapor muy eficiente, especialmente para tambores asociados a compresores reciprocantes. Estos tambores KO se dise ñan para incluir malla separadora de gotas y, algunas veces, se incluye calentamiento por trazas de la salida vapor para evitar condensaci ón en la l ínea – Tambor KO de la alimentaci ón al Absorbedor de Gas Acido: Se requiere una separaci ón líquido –vapor muy eficiente, para evitar la formaci ón de espuma en el absorbedor. 4.6.2

Separador horizontal (Fig. 3.) En estos equipos, la fase pesada decanta perpendicularmente a la direcci ón horizontal de flujo de la fase liviana, permitiendo que la fase liviana continua pueda viajar a una velocidad superior a la velocidad de decantaci ón de la fase pesada discontinua (hasta un cierto l ímite). Entre las ventajas y desventajas de este tipo de separadores est án: Ventajas

– – – – –

Normalmente empleados cuando la relaci ón gas ó vapor –líquido es baja. Requieren de poco espacio vertical para su instalaci ón. Fundaciones m ás económicas que las de un tambor vertical equivalente. Por lo general, son m ás económicos. Requieren menor diámetro, que un tambor vertical, para una capacidad dada de gas. – Manejan grandes cantidades de l íquido, fuertes variaciones en la entrada de líquido, ó separaci ón líquido –líquido, optimizando el volumen de operaci ón requerido. – Los volúmenes de retenci ón facilitan la desgasificaci ón de líquido y el manejo de espuma, si se forma. Desventajas

– Variaciones de nivel de la fase pesada afectan la separaci ón de la fase liviana. – Ocupan mucho espacio horizontal. – Difícil remoción de sólidos acumulados (Necesidad de inclinar el recipiente ó añadir internos como tuber ías de lavado) Como ejemplo de separadores horizontales, tenemos:

– Separadores de producci ón: (también conocidos como Tambores “Free Water Knock Out ” (FWKO)); se requiere de un separaci ón vapor –líquido eficiente, especialmente cuando el gas fluye hacia un compresor. Adem ás




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la separaci ón del aceite o petr óleo de la fase acuosa (Separador líquido –líquido –vapor), debe ser razonablemente buena para evitar sobrecargar los equipos aguas abajo de tratamiento de agua. Muy a menudo, se requiere de inyecci ón de químicos desemulsificantes y rompedores de espuma. – Tambores de alivio: .Se requiere de una separaci ón vapor –líquido razonablemente buena, para as í evitar arrastre de gotas de material hidrocarburo que arder ían en el mechurrio asociado, ya que dichas gotas producir ían una excesiva radiaci ón en el mechurrio, adem ás que podr ían caer gotas de material ardiendo desde el mechurrio, generando posibles emergencias. 4.6.3

Separador centr í fugo (Fig. 4.) Ofrecen un espacio eficiente, pero son muy sensibles a la tasa de flujo y requieren una mayor ca ída de presi ón que la configuraci ón estándar de un separador. Este tipo de separadores no ser á cubierto por el MDP de Tambores.

4.6.4

Separador de filtro (Fig. 5.) Los separadores de filtro usan el principio de aglomeramiento de goticas de l íquido en un medio filtrante seguido por un elemento eliminador de niebla. Este tipo de separadores no ser á cubierto por el MDP de Tambores. El aglomeramiento m ás común y eficiente est á compuesto de un medio filtrante tubular de fibra de vidrio, el cual es capaz de retener part ículas de l íquido hasta tamaños de submicrones. El gas fluye dentro de la parte superior del empaque del filtro, pasa a trav és de los elementos y luego viaja hacia afuera por medio de los tubos. Las part ículas peque ñas secas (si las hay, por arrastres de s ólidos ó productos de corrosi ón), son retenidas en los elementos filtrantes y el l íquido se aglutina para formar gotas m ás grandes. La eficiencia de un separador de filtro depende mayormente del dise ño apropiado del empaque del filtro y que este produzca una ca ída de presi ón mínima, mientras retiene una eficiencia de extracci ón. Los separadores filtro son utilizados en aplicaciones de alto flujo de gas / bajo flujo de líquido y pueden tener ambas configuraciones horizontal o vertical. Son utilizados comúnmente a la entrada de los compresores en las estaciones compresoras, como un despojador final aguas arriba de la torre contractora de glicol y en aplicaciones de gas de instrumentaci ón / combustible.

4.7

Descripció n de los internos de un separador Los internos de un separador prestan una gran variedad de funciones, todas con el objetivo de mejorar la separaci ón de las fases y/o garantizar una operaci ón confiable y segura de los equipos aguas abajo. Entre tales funciones est án:




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– Separaci ón primaria de las fases : Reducción del momentum de las fases o cambio en la direcci ón del flujo de las mismas (deflectores, distribuidores de entrada).

– Reducci ón en oleaje o salpicaduras : evita o reduce el “re –arrastre ” de gotas de l íquido por la corriente de vapor o reduce la turbulencia en separaciones l íquido –líquido (planchas rompe olas). – Coalescencia de gotas muy peque ñas: Para separaciones vapor –líquido, los eliminadores de niebla (mallas de alambre, laberinto de aletas, etc). Para separaci ón líquido –líquido, los platos o esponjas coalescedoras (no cubiertos por el MDP de tambores).

– Reducci ón del arrastre de burbujas de vapor/gas en la salida de l í quido: rompe vórtices. – Reducci ón mecánica de formaci ón de espuma: placas rompe espuma. – Limpieza interna de recipientes : Cuando se espera una deposici ón continua de s ólidos que no pueden ser f ácilmente removibles (tuber ías internas: No cubierto por el MDP de tambores).

– Reducci ón del tiempo de decantaci ón: en el caso de separaciones líquido –líquido, se busca reducir el tiempo en que una gota de la fase pesada discontinua alcance la interfase pesada –liviana (placas de decantaci ón). A continuaci ón se presenta una breve descripci ón de algunos ejemplos de internos: 4.7.1

Deflectores (Fig 6.) Los deflectores tienen una gran variedad de formas; pueden ser de placa, ángulo, cono, codo de 90 °, o semiesfera. El dise ño y forma del deflector depende principalmente del soporte requerido para resistir la carga de impacto a la cual es sometido. Estas fuerzas de impacto pueden llegar a desprender el elemento y ocasionar serios problemas de arrastre. Para efectos de lo cubierto en el MDP de tambores, el tipo de deflector a usar (cuando no se empleen distribuidores) es el codo de 90 °.

4.7.2

Distribuidores de entrada (Fig 6.) Los distribuidores son aditamentos de tuber ía internamente colocados perpendicularmente a la boquilla de entrada, los cuales tienen ranuras ú orificios, por los cuales salen las dos fases a una baja velocidad. Estos aparatos, adem ás, ayudan a una distribuci ón pareja de las fases en el área disponible de flujo, que favorece la separaci ón de la mismas.



4.7.3


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Ciclones (Fig 6.) Los ciclones funcionan de forma que la separaci ón mecánica se efect úa por la fuerza centrífuga que actúa sobre las part ículas al provocar el movimiento giratorio sobre la corriente de alimentaci ón. Para lograr este efecto se coloca una chimenea ciclónica cerca de la boquilla de alimentaci ón. Esta chimenea produce una alta velocidad y una gran ca ída de presión.

4.7.4

Eliminador de niebla tipo malla ( “Mallas ”) (Fig 7.) Descrito en general como “demister ” ó “Malla de Alambre ”, consiste en un filtro trenzado de alambre, normalmente de acero inoxidable empacado en forma de esponja cilíndrica, con un espesor entre 3 y 7 pulgadas y densidad entre 10 y 12 lb/pie 3. Este elemento retiene las part ículas líquidas hasta que adquieren un tamaño suficientemente grande como para que el peso supere tanto la tensi ón superficial como la acci ón de arrastre producida por el gas. Posee una de las m ás altas eficiencias de remoci ón y es preferido debido a su bajo costo de instalaci ón. Para efectos de los MDP de tambores, se usar á el genérico “Mallas” para describir este tipo de eliminador de niebla. Estos eliminadores tienen la ventaja de que producen una baja ca ída de presión, y son altamente efectivos si la velocidad del vapor puede mantenerse dentro de un rango apropiado. La desventaja principal respecto a los otros tipos de eliminadores radica en el hecho que el gas es forzado a pasar a trav és de éstos por los mismos canales por los que el l íquido es drenado bajo la influencia de la gravedad, es decir, en el área libre del eliminador existe flujo en dos sentidos. Si no son especificados apropiadamente, puede suceder que:

– El líquido no pueda abandonar el elemento y se acumule en éste. – El flujo de gas sea restringido como consecuencia de esta acumulaci ón. – La caída de presi ón llegue a tal valor que el l íquido sea expulsado aguas abajo del separador, ocasionando arrastre. La desventaja con respecto a otros eliminadores de niebla, es que si hay s ólidos pegajosos en la corriente de gas ó es un servicio sucio, el sistema es m ás propenso a obstruirse. 4.7.5

Eliminador de niebla tipo aleta (Fig 7.) Los eliminadores tipo aleta consisten en un laberinto formado por l áminas de metal colocadas paralelamente, con una series de bolsillos recolectores de l íquido. El gas es conducido entre las placas, sometido a sucesivos cambios de direcci ón, mientras que las part ículas líquidas tienden a seguir en l ínea recta y son atrapadas en los bolsillos del eliminador. Una vez all í, coalescen y son conducidas en direcci ón perpendicular al flujo de gas hasta el fondo del recipiente. Una caracter ística de este elemento es que el l íquido recolectado no es drenado en contracorriente al flujo de gas; en consecuencia la eficiencia de separaci ón con respecto al eliminador tipo malla aumenta considerablemente.




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Las ventajas de este eliminador son su alta eficiencia y durabilidad. Adicionalmente, debido a que se construyen en forma compacta no son propensos a desarmarse. Las desventajas son su susceptibilidad a taponarse cuando manejan crudos parafinosos o asfalt énicos, además su alto costo en relaci ón a los otros tipos de eliminadores. Este tipo de eliminadores de niebla no est á dentro del alcance de esta versi ón del MDP de Tambores. 4.7.6

Eliminador de niebla tipo cicl ón (Fig 7.) Estos dispositivos producen la separaci ón debido a un cambio en la cantidad angular de movimiento de la corriente bif ásica. Estos elementos tienen forma de ciclón, es decir, un cilindro hueco con aberturas que permiten la entrada de la corriente en forma tangencial. El gas gira en torno al eje del cilindro y abandona la parte superior, mientras que las part ículas líquidas por efecto de la diferencia de densidades salen desprendidas de la corriente la fuerza centr ífuga aplicada sobre ellas debido a la rotaci ón, golpeando las paredes del elemento y goteando por la parte inferior. Su principal uso se limita a corrientes formadas b ásicamente por gas o cuando la diferencia de densidad relativa entre las fases es peque ña. Un aspecto importante respecto a estos eliminadores es que la eficiencia de separaci ón depende mucho de la velocidad del gas y por lo tanto del caudal manejado. Cuando este cae por debajo de los valores recomendados por el fabricante, la eficiencia de separaci ón disminuye drasticam énte, por esta raz ón no son recomendados cuando el flujo de alimentaci ón es variable, como por ejemplo en los separadores de estaciones de flujo. Por otra parte, cuando la velocidad es muy alta se produce abrasi ón y desgaste excesivo, obligando al cambio frecuente del mismo y generando caídas de presi ón de hasta 140 pulg de agua. Este tipo de eliminadores de niebla no est á dentro del alcance de esta versi ón del MDP de Tambores.

4.7.7

Rompe – vórtices (Fig. 8.) Cuando un liquido es drenado de un recipiente, se pueden producir condiciones que originen la formaci ón de un remolino. Este efecto en separadores ocasiona el escape de la fase de vapor por la boquilla de desalojo de l íquido, lo cual es indeseable sobre todo desde el punto de vista de seguridad. Para solventar este problema es usual dotar a los recipientes de elementos que obstruyan o dificulten la formaci ón de remolinos.

4.7.8

Placas rompe – espumas (Fig. 8.) Consiste en una serie de placas paralelas longitudinales direccionadoras del flujo, colocadas en la zona de retenci ón de líquidos de los separadores horizontales. Estas placas evitan que las burbujas de gas que ascienden a trav és del l íquido colapsen y produzcan la agitaci ón necesaria para formar la espuma. La


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especificaci ón de este tipo de placas no est á dentro del alcance de esta versi ón del MDP de Tambores. 4.7.9

Rompe – olas (Fig. 8.) Cuando se tienen separadores horizontales muy largos, se debe evitar la propagaci ón de las ondulaciones y los cambios de nivel en direcci ón longitudinal que son producidos por la entrada s úbita de tapones de l íquido dentro del separador. Para eliminar dichas ondulaciones es usual colocar placas en sentido transversal al separador, conocidas como rompe –olas. Dichas placas son de gran utilidad para las labores de control de nivel, evitando medidas err óneas producto del oleaje interno. La especificaci ón de este tipo de placas no est á dentro del alcance de esta versi ón del MDP de Tambores.

4.7.10

Tuberí as internas (Fig. 8.) Cuando se manejan crudos y productos sucios, es recomendable adecuar tanto el separador horizontal como el vertical, con un sistema interno de tuber ías que permitan la inyecci ón de agua, vapor o solventes para eliminar las impurezas que se depositan en el equipo durante su operaci ón o para desplazar a los hidrocarburos antes de proceder a la apertura del recipiente, por lo cual estos equipos son muy útiles cuando se efect úan paradas por manteamiento.

4.8 4.8.1

Problemas operacionales t íp icos a tomar en cuenta en el dise ño Formaci ón de espuma La tendencia a formar espuma de una mezcla vapor –líquido o vapor –líquido –líquido afectar á severamente el desempe ño del separador. Generalmente, si se sabe que la espuma es un problema antes de instalar el recipiente, pueden incorporarse deflectores de espuma como el m étodo más económico de eliminar el problema. Sin embargo en algunos casos puede ser necesario resolver un problema en particular, usando soluciones m ás efectivas como agregar longitud extra al recipiente o usar aditivos qu ímicos. Cualquier informaci ón que pueda obtenerse sobre la dispersi ón de espuma por an álisis de laboratorio, antes del dise ño del separador es de mucha ayuda. Un caso espec ífico de esta situaci ón son los separadores de Producci ón (gas –petróleo o gas –petróleo –agua).

4.8.2

Flujo de avance Algunas lineas de flujo bif ásico muestran la tendencia a un tipo de flujo inestable, de oleaje, que se denomina flujo de avance. Obviamente la presencia del flujo avance requiere incluir placas rompe olas en el separador.

4.8.3

Materiales pegajosos Alimentaciones con materiales pegajosos, como es el caso de crudos parafinosos, pueden presentar problemas operativos, debido al ensuciamiento o incrustaci ón de los elementos internos.

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4.8.4

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEPARACION FISICA TAMBORES SEPARADORES PRINCIPIOS BASICOS Indice manual

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PDVSA MDP–03–S–01 REVISION

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Presencia y acumulación de sólidos Cuando se conoce que un servicio tendrá arrastre de sólidos, deberán tomarse las prensiones correspondientes: tuberías de lavado (si aplica), boquillas de limpieza por inyección de líquidos, boquillas de remoción de sólidos, inclinación de recipientes horizontales, etc. Para separadores de producción, considerables cantidades de arena pueden ser producidas con el crudo. En los separadores en servicio de petróleo arenoso deben proveerse aberturas para la limpieza.

5

GUÍA GENERAL PARA EL DISEÑO 5.1

Separadores de producción Los criterios de diseño que aplican a este tipo de separadores están i ncluidos en el documento PDVSA MDP–03–S–03 “Separadores Líquido–Vapor.

5.2

Consideraciones iniciales De acuerdo a lo mencionado en el aparte 4.6, hay aspectos que favorecerían la utilización de un tipo de separador con respecto a otro, especialmente hablando de separadores verticales y horizontales, los cuales son los de mayor uso en la IPPCN, y los que serán cubiertos con mayor detalle en los documentos siguientes. Sin embargo, de acuerdo a cada situación, puede que la selección “obvia” del tipo de separador no aplique, ya que pueden existir otros factores, que normalmente son de menor importancia, pero que en una aplicación específica son privativos en la selección de un tipo de separador. A continuación presentamos algunos ejemplos: – Normalmente, un tambor de alivio que maneje un volumen importante de descargas líquidas, será un tambor horizontal con flujo dividido, lo cual reduce el diámetro del recipiente pero alarga su longitud. Sin embargo, si está ubicado en una plataforma de producción costa afuera, donde el espacio es extremadamente costoso, la selección podría ser un tambor horizontal sin flujo dividido o, si la situación es extrema, un tambor vertical. – En la remodelación de una unidad a la cual se le aumenta la capacidad, la selección obvia para un tambor separador de gotas o Tambor KO, es un tambor vertical, pero si el tambor está ubicado en el piso intermedio de una estructura de tres pisos, la cual no se le pueden abrir perforaciones por tener ubicados equipos encima del tambor KO en cuestión, se impone tener un tambor horizontal.



5.3



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Guí a a seguir para todo tipo de tambores separadores La siguiente metodolog ía es con la finalidad de ser utilizada como una gu ía general para el dise ño de separadores. Paso 1. –

Obtenci ón de la informaci ón de proceso (propiedades de las corrientes) y de la funci ón que se espera realizar. De acuerdo a los procedimientos que se presentar án en los documentos siguientes, se requiere obtener la siguiente informaci ón:

Informaci ón

Vapor/gas

Lí quido(s)

Densidad Viscosidad Tensión Superficial Flujo (másico ó volumétrico)

X X

X X X X

X

Presión de Operaci ón Temperatura de Operaci ón Material pegajoso? Arrastre de S ólidos? Variaciones fuertes en el flujo de vapor/gas? Variaciones fuertes en el flujo de l íquido(s)?

Paso 2. –

General

X X X X X X

Definici ón del tipo de separador y de servicio. Los siguientes documentos, los cuales forman parte del MDP de tambores deberán ser consultados, para efectos de identificaci ón del servicio espec ífico a realizar:

PDVSA –MDP – Descripci ón de Documento 03 –S –03 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Vapor 03 –S –04 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Líquido 03 –S –05 Tambores Separadores, Procedimientos de Dise ño: Separadores Líquido –Líquido –Vapor Estos documentos, que presentan procedimientos detallados de diseño, también incluyen descripci ón del tipo de separador a emplear para aplicaciones espec íficas de Refinaci ón de Petr óleo En el caso que no se halle un servicio espec ífico que identifique el caso bajo estudio, usar la tabla siguiente para una identificaci ón genérica del tipo se separador a usar





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Recomendaci ón de Tipo de Separador Situaci ón

Vertical sin Malla

Vertical con Malla

Horizontal sin Malla

Horizontal con Malla

Alta relación vapor/líquido

Muy recomendable

Muy recomendable

Moderado

Moderado

Alto “turndown” de flujo de gas

Muy recomendable

Muy recomendable

Moderado

Moderado

Baja relación vapor/líquido

Moderado

Moderado

Muy recomendable

Muy recomendable

Alto “turndown” de flujo de líquido

Moderado

Moderado

Muy recomendable

Muy recomendable

Presencia de sólidos / materiales pegajosos

Recomendable

Moderado: Considerar internos especiales

Moderado: Considerar internos especiales / Inclinación

Moderado: Considerar internos especiales / Inclinación

Recomendable

No aplica

Muy recomendable

Muy recomendable

Separación líquido –líquido solamente

No recomendable No recomendable

Separación líquido – líquido –vapor

Moderado

Moderado

Limitaciones en área de Planta

Recomendable

Recomendable

Limitaciones en No recomendable No recomendable espacio vertical ó altura

No recomendable No recomendable Recomendable

Recomendable

Paso 3. –

Localizaci ón de los criterios de dise ño típicos para el servicio en cuesti ón, criterios y consideraciones adicionales y la configuraci ón del tambor: Tales criterios estar án en los documentos PDVSA –MDP antes mencionados, de acuerdo a la selecci ón hecha de tipo de separador.

Paso 4. –

Dimensionamiento del tambor a trav és del calculo de: – Velocidad cr ítica del vapor – Area de flujo de vapor requerida disponible – Relación L/D – Volumen de retenci ón de l íquido en el tambor – Niveles bajo –bajo, bajo, alto, alto –alto del l íquido, cuando se

trate de separadores vapor l íquido. Para separaci ón vapor –líquido –líquido, añadir nivel bajo y nivel alto de interfase.




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– Diseño/especificaci ón de Internos que afecten el dise ño de

Paso 5. – Paso 6. – Paso 7. –

Paso 8. –

Proceso del recipiente – Volumen del tambor Definici ón y dimensionamiento de las boquillas de entrada y de salida Especificaci ón de los internos faltantes del separador (parte de esta informaci ón se localizar ía en el MID) Cálculo de la ca ída de presi ón del equipo: como la suma de la caída de presión de la boquilla de entrada, de salida de gas y de los internos (cuando aplique) Búsqueda de informaci ón adicional, en el Manual de Ingenier ía de Diseño y otros documentos t écnicos, para completar la Especificaci ón de Proceso del Tambor Separador bajo estudio.



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NOMENCLATURA

C

=

C’

=

Dp E F F1

= = = =

F2

=

g Vc

= =

Vt

=

m

= = = = =

ρg ρl ρP ρL

líquido arrastrado hacia la cabecera del tambor Coeficiente de arrastre que depende de el N úmero de Reynolds Diámetro de la gota Eficiencia de separaci ón, % Flujo del l íquido alimentado al tambor Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ec. (2)) Factor cuyo valor depende de las unidades usadas (Ec. (3)) Aceleración debido a la gravedad Velocidad crítica Velocidad terminal de la gota de l íquido. Velocidad terminal de decantaci ón Viscosidad de la fase continua. Densidad del gas Densidad del líquido Densidad de la fase pesada. Densidad de la fase liviana

En unidades SI kg/s

En unidades inglesas lb/h

adimensional m

pie

kg/s 1000

lb/h 1

0.048

0.157

9.807 m/s2 m/s

32.174 pie/s2 pie/s

m/s

pie/s

mPa.s kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3

lb/pie.s lb/pie 3 lb/pie 3 lb/pie 3 lb/pie 3



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APENDICE Figura 1 Separadores gas –liquido Figura 2 Separador vertical Figura 3 Separador horizontal Figura 4 Separador centrifugo Figura 5 Separador filtro Figura 6 Tipos de deflectores y distribuidores Figura 7 Tipos de eliminadores de niebla Figura 8 Otros internos


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Fig 1. SEPARADORES GAS –LIQUIDO SALIDA DE GAS

SEPARADOR HORIZONTAL SEPARACION PRIMARIA

SEPARACION POR COALESCENCIA

SEPARACION SECUNDARIA

RECOLECCION DE LAS FASES LIQUIDAS

SALIDA DE VAPOR SALIDA DE LIQUIDO

SEPARACION POR COALESCENCIA SEPARACION SECUNDARIA

ALIMENTACION

SEPARACION PRIMARIA RECOLECCION DE LAS FASES LIQUIDAS

SEPARADOR VERTICAL

SALIDA DE LIQUIDO



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Fig 2. SEPARADOR VERTICAL

SALIDA DE VAPOR

MALLA SEPARADORA DE GOTAS

ALIMENTACION

NAAL DEFLECTOR NAL

NBL NBBL

SALIDA DE LIQUIDO NAAL : NIVEL ALTO –ALTO DE LIQUIDO NAL : NIVEL ALTO DE LIQUIDO NBL : NIVEL BAJO DE LIQUIDO NBBL : NIVEL BAJO –BAJO DE LIQUIDO


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Fig 3. SEPARADOR HORIZONTAL

ALIMENTACION

DISTRIBUIDOR EN T ”

NAAL NAL

NBL NBBL

SALIDA DE LIQUIDO

NAAL : NIVEL ALTO –ALTO DE LIQUIDO NAL : NIVEL ALTO DE LIQUIDO NBL : NIVEL BAJO DE LIQUIDO NBBL : NIVEL BAJO –BAJO DE LIQUIDO

SALIDA DE GAS

MALLA SEPARADORA DE GOTAS




Fig 4. SEPARADOR CENTRIFUGO ALIMENTACION

A

SALIDA DE GAS

SALIDA DE LIQUIDO

CORTE A –A

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A


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Fig 5. SEPARADOR FILTRO

CAMARA DE SEPARACION DE ENTRADA

ELIMINADOR DE

ENTRADA DE GAS

NIEBLA FINAL

TUBOS FILTROS

SALIDA DE GAS

TAPA DE

RESERVORIO

ABERTURA RAPIDA

DE LIQUIDO





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Fig 6. TIPOS DE DEFLECTORES Y DISTRIBUIDORES DEFLECTOR COMPUESTO POR MEDIA SECCION DE TUBERIA

BOQUILLA DE ENTRADA

BOQUILLA DE ENTRADA

PARED DEL RECIPIENTE

DEFLECTOR DE ENTRADA (PDVSA –MID –10603.2.303)

BOQUILLA DE ENTRADA

BOQUILLA DE ENTRADA

DEFLECTOR

PARED DEL RECIPIENTE PARED DEL RECIPIENTE

CODO DE 90°

PLANCHA DEFLECTORA

1700mm (67 pulg.) D.E.=610mm(24 pulg.) 545mm (21.5 pulg.)

545mm (21.5 pulg.)

D.E.=610mm (24 pulg.) 25mm (1 pulg.)

25mm 25mm (1 pulg.)

(1 pulg.)

15mm (.6 pulg.)

EJEMPLO DE DISTRIBUIDOR EN “T”



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Fig 7. TIPOS DE ELIMINADORES DE NIEBLA

TIPO MALLA DE ALAMBRE

BOLSILLOS

DIRECCION DE LAS PARTICULAS LIQUIDAS RETENIDAS

GAS

TIPO ALETA SALIDA DE GAS

SALIDA DE LIQUIDO

ENTRADA DE FLUJO

TIPO CICLON


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Principios Básicos. Tambores Separadores

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