SEPARADORES BIFASICOS 1. INTRODUCCION Las mezclas de líquido y gas, se presentan en los campos petroleros principalmente por las siguientes causas:
Por lo general los pozos producen líquidos y gas mezclados en un solo flujo
Hay tuberías en las que que aparentemente se maneja sólo líquido o gas; pero debido a los cambios de presión y temperatura que se producen a través de la tubería, hay vaporización de líquido o condensación de gas, dando lugar al flujo de dos fases
En ocasiones el flujo de gas arrastra líquidos de las compresoras y equipos de procesamiento, en cantidades apreciables.
Las razones principales por las que es importante efectuar una separación adecuada de líquido y gas, son:
En campos de gas y aceite, donde no se cuenta con el equipo de separación adecuado y además el gas se quema, una cantidad considerable de aceite ligero que es arrastrado por el flujo del gas también es quemado, ocasionando grandes pérdidas si se considera que el aceite ligero es el de más alto valor comercial.
Aunque el gas se transporte a una cierta distancia para tratarlo, es conveniente eliminarle la mayor cantidad de líquido, ya que este ocasiona problemas, tales como: corrosión y abrasión del equipo de transporte.
Como se menciona, el flujo de gas frecuentemente arrastra líquidos de proceso, como el glicol, los cuales se deben recuperar ya que tienen un valor considerable.
2. OBJETIVO El objetivo del trabajo de investigación es analizar y profundizar acerca de los diferentes tipos de separadores bifásicos para la separación de los hidrocarburos ya sean estos gas-liquido, gas-liquido-petróleo, así también como su funcionamiento, y cómo se los utiliza.
3. MARCO TEORICO 3.1.
Descripción General
Los equipos de separación, como su nombre lo indica, se utilizan en la industria petrolera para separar mezclas de líquido y gas. Un separador es un recipiente cerrado que trabaja a presión en el cual se separan dos o tres fases del fluido producido por los pozos. Cuando se separan dos fases son líquidos y gas, y cuando se separan tres fases son gas, petróleo y agua.
¿Qué es un Separador Bifásico? Son recipientes capaces de separar el gas y líquido inmiscible. Se emplean para dejar lo más libre posible el gas del petróleo y viceversa a presiones y temperaturas definidas. Contenedor que separa los fluidos del pozo en gas y líquido total. Un separador de dos fases puede ser horizontal, vertical o esférico. El líquido (petróleo, emulsión) sale del recipiente por el fondo a través de una válvula de control de nivel o de descarga. El gas sale por la parte superior del recipiente y pasa a través de un extractor de niebla para retirar las pequeñas gotas de líquido del gas.
3.2.
PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN DE LOS SEPARADORES Fuerza de Gravedad: Las gotas de líquido se separan de la fase gaseosa, cuando la fuerza gravitacional que actúa sobre las gotas de líquido es mayor que la fuerza de arrastre del fluido de gas sobre la gota.
Fuerza Centrífuga: El separador centrífugo funciona mediante el efecto de la fuerza centrífuga. El agua contaminada con sólidos e hidrocarburos/aceites se inyecta tangencialmente a lo largo de la circunferencia del estanque cilindro-cóni co para permitir la separación de las partículas pesadas. El aceite libre es retirado de la superficie del estanque y se almacena en el acumulado de hidrocarburo. Las partículas que pueden precipitar sedimentan al fondo del estanque, desde aquí son drenadas a un filtro de bolsa de fácil reemplazo.
Momento Lineal: Los fluidos con diferentes densidades tienen diferentes momentos. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de dirección, el fuerte momento o la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que las partículas de la fase pesada se muevan tan rápidamente como las de la fase liviana, este fenómeno provoca la separación.
Fuerzas Electrostáticas: Los fluidos con diferentes densidades tienen diferentes momentos. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de dirección, el fuerte momento o la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que las partículas de la fase pesada se muevan tan rápidamente como las de la fase liviana, este fenómeno provoca la separación.
Coalescencia: Las gotas muy pequeñas no pueden ser separadas por gravedad. Estas gotas se unen por medio del fenómeno 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.
Absorción: Este es uno de los procesos de mayor utilidad en la industria del gas natural. El proceso consiste en remover el vapor de agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto líquido. El líquido que sirve como superficie absorbente debe cumplir con una serie de condiciones, como por ejemplo:
3.3.
Alta afinidad con el vapor de agua y ser de bajo costo,
Poseer estabilidad hacia los componentes del gas y bajo perfil corrosivo
Estabilidad para regeneración
Clasificación
Los separadores se pueden clasificar de varias maneras, dependiendo de:
Las fases que separan
Forma del separador
Posición del separador
Utilización
Condiciones de trabajo
Otros.
a) Fases: En cuanto a las fases que separan pueden ser bifásicos o trifásicos; serán bifásicos si solamente separan gas y líquido, y trifásicos si separan gas, petróleo y agua. Los bifásicos son más comunes y los trifásicos se usan generalmente donde hay crudos livianos y no se presentan emulsiones.
b) Forma: En cuanto a la forma pueden ser cilíndricos o esféricos. Los cilíndricos son los más comunes pero los esféricos son bastante usados en campos de gas y cuando deben trabajar a presiones altas.
c) Posición: En cuanto a posición, esto se refiere a los separadores cilíndricos, pueden ser verticales y horizontales; estos últimos pueden ser de un solo cilindro o dos. Los verticales se usan cuando hay una RGL más bien baja y en pozos que puedan tener producción de arena; los horizontales de un solo tubo se usan cuando se tienen RGL altas pero una tasa líquida estable, y los de dos tubos pueden manejar más fácil producciones altas, dan más tiempo de reposo al líquido para extraerle el gas y pueden manejar más fácil relaciones gas-líquido altas.
Posición Vertical
horizontal
Esférico
d) Utilización: De acuerdo a su utilización, en una batería hay separadores de prueba, y generales y separadores de alta y baja presión; estos dos últimos existen cuando a una batería llegan pozos con presiones bastante altas y se requieren dos o más etapas de separación, cada una a una presión menor que la anterior.
3.4.
CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE SEPARACIÓN BIFÁSICOS (GASLÍQUIDOS):
Se utilizan separadores verticales si el caudal del líquido es bajo, para caudales superiores se utilizan los horizontales y los esféricos para alta presión.
3.5.
SEPARADOR VERTICAL BIFÁSICO.
En la siguiente figura se muestra un separador vertical bifásico y en ella se identifican cuatro secciones que a continuación mencionaremos.
Sección de separación primaria. La mezcla de fluidos entra por un punto intermedio del separador y al hacerlo pasa por el elemento degasificador el cual se encarga de distribuir el chorro de fluido que está entrando y facilitar así la separación del gas y el líquido que vienen libres además de mejorar la posibilidad de escape del gas del líquido (gas que aún no se ha liberado). Algunas veces al entrar el fluido al separador no pasa por elemento degasificador, especialmente cuando hay poco gas, sino que más bien el chorro de líquido al entrar choca contra una placa deflectora o contra un elemento giratorio buscando con esto distribuir la dirección de flujo en el primer caso o generar fuerza centrífuga en el segundo caso; en ambos casos se mejora la oportunidad de separar el gas y el líquido; al chocar la corriente de fluido contra la placa deflectora ésta se distribuye a través de toda el área del separador y será mucho más fácil la separación de gas y líquido; cuando la corriente choca contra un elemento giratorio éste al recibir el impacto empieza a rotar y al hacerlo impulsa el fluido que choca contra él hacía las paredes del separador, pero como el líquido es más pesado que el gas adquiere mayor fuerza centrífuga y trata de escaparse más rápido hacia las paredes, de esta manera la fuerza centrífuga ayuda a separar gas y líquido. En consecuencia, en esta sección primaria las fuerzas de separación son gravedad y fuerza centrífuga. Después de la sección de separación primaria, el gas sigue hacia arriba y pasa por la sección de separación secundaria.
Sección de separación secundaria. Donde algunas gotas de líquido que han sido arrastradas por el gas que se separó en la sección primaria, se caen por gravedad. En esta sección generalmente no hay medios mecánicos que ayuden a la separación, esta es por gravedad. Luego de la sección secundaria, el gas pasa por la sección extractora de humedad.
Sección extractora de humedad. En la cual todas las gotas del líquido que no alcanzaron a separarse en la sección secundaria son extraídas mediante algún método mecánico; esta sección hace las veces de un filtro por el cual pasa el gas pero no alcanza a pasar el líquido. En el extractor de
humedad el gas va a encontrar una serie de obstáculos con los cuales choca y al hacerlo queda adherida parte del líquido en forma de pequeñas gotas las cuales se van uniendo y luego caen. En la sección extractora de humedad el mecanismo de separación es una combinación de impacto, adsorción y gravedad. Después de pasar el gas por la sección extractora de humedad sale a la parte superior del separador en donde se encuentra la salida para el gas. El líquido que se separa en la sección de separación primaria además de las gotas que caen de las secciones de separación secundaria y extractora de humedad se cae hacia la sección de acumulación de líquido.
Sección de acumulación de líquido. Cumple con dos funciones importantes:
a) Permitir que el líquido permanezca un determinado tiempo en reposo y así el gas que quedó atrapado en el líquido tenga oportunidad de escaparse.
b) Por otra parte el colchón de líquido impide que el gas se escape por la salida del líquido. Muchas veces la sección de acumulación de líquido está separada del resto del separador por un bafle o placa cuya función es tratar de mantene r la superficie del líquido lo menos turbulenta posible, lo cual también facilita la liberación del gas; el líquido antes de pasar hacia la sección de acumulación de líquido cae sobre el bafle o placa y pasa hacia abajo a través de orificios o ranuras del bafle.
Ventajas: 1. Es fácil mantenerlos limpios, por lo que se recomiendan para manejar flujos de pozos con alto contenido de lodo, arena o cualquier material sólido.
2. El control de nivel de líquido no es crítico, puesto que se puede emplear un flotador vertical, logrando que el control de nivel sea más sensible a los cambios.
3. Debido a que el nivel de líquido se puede mover en forma moderada, son muy recomendables para flujos de pozos que producen por bombeo neumático, con el fin de manejar baches imprevistos de líquido que entren al separador.
4. Hay menor tendencia de revaporización de líquidos. Desventajas: 1.
Son más costosos que los horizontales.
2.
Son más difíciles de instalar que los horizontales.
3.
Se necesita un diámetro mayor que el de los horizontales para manejar la misma cantidad de gas
3.6.
SEPARADOR HORIZONTAL BIFÁSICO.
Se usan generalmente cuando la producción de gas empieza a ser alta, la producción de líquido es más o menos uniforme y no se presentan variaciones bruscas en el nivel de fluido dentro del separador. Cuando hay producción alta tanto de líquido como de gas se usan los separadores horizontales de dos tubos en el cual en el tubo superior se maneja el gas y en el inferior el líquido.
3.6.1. FUNCINAMIENTO En la siguiente figura se muestra un separador horizontal bifásico que funciona de la siguiente manera: la mezcla de fluidos entra a este tipo de separadores por un extremo del cilindro y al hacerlo choca contra un elemento giratorio el cual le imprime fuerza centrífuga a las fases líquida y gaseosa ayudando a que se separen y al hacerlo, el líquido cae por gravedad hacia la parte inferior del separador; la zona donde se presenta esta separación inicial de fluidos se puede considerar como la sección de separación primaria.
Como en el separador horizontal no hay un trayecto en dirección vertical apreciable por donde pueda viajar el gas y permitir que parte de las gotas de líquido que ha arrastrado caigan, se recurre a medios mecánicos para retirarle la humedad al gas; por este motivo el gas se hace pasar por una serie de placas, llamadas placas de rectificación
con
las
cuales
va
establecer contacto con el gas y al hacerlo, gran parte de las gotas de líquido
que
está
arrastrando
se
adherirán a las placas y luego caerán al fondo del separador; esta sección de rectificación viene a desempeñar la
función
de
la
sección
de
separación secundaria. Después de salir el gas de la sección de rectificación pasa hacia la sección extractora de humedad cuya forma y funcionamiento es similar a las descritas en el separador vertical; se debe aclarar sin embargo que la sección extractora de humedad no es tan necesaria en los separadores horizontales como en los verticales pues, por una parte la sección rectificadora la mayoría de las veces es bastante efectiva y, por otra parte el recorrido del gas es más largo que en el caso vertical, lo cual da más oportunidad de que el líquido se separe del gas; en caso de usar sección extractora de humedad se debe tener en cuenta el tipo de crudo que se vaya a tratar para seleccionar el filtro, pues, por ejemplo, no se debe usar un filtro de alambre enrollado si el crudo presenta depositación de parafinas; después de pasar el gas por la sección extractora de humedad busca la salida para el gas.
El líquido que se ha separado en las secciones primarias, de rectificación y extractora de humedad busca la sección de acumulación de fluidos, la cual es la sección inferior del cilindro y está separada de las demás secciones por una placa o bafle horizontal con orificios o ranuras a través de las cuales pasa el líquido hacia abajo; esta sección posee la salida del separador para la fase líquida pero como la altura de la columna de fluido en esta sección es tan pequeña la mayoría de las veces, en esta salida se pueden formar vórtices lo cual permitiría que se escapara gas con el líquido, para evitar esto se usa el tubo ranurado, conocido como rompedor de vórtices.
Ventajas: 1. Tienen mayor capacidad para manejar gas que los verticales. 2. Son más económicos que los verticales. 3. Son más fáciles de instalar que los verticales. Desventajas: 1. No son adecuados para manejar flujos de pozos que contienen materiales sólidos como arena o lodo, pues es difícil limpiar este tipo de separadores.
2. Control de nivel de líquido es más crítico que en los se paradores verticales
3.7.
SEPARADOR ESFÉRICO BIFÁSICO. Este tipo de separador se usa principalmente cuando hay una producción alta, y además a presión alta, de gas. La siguiente figura muestra un esquema de un separador esférico. El chorro de fluido entra por un punto dado y es llevado hacia el extremo opuesto en donde se divide en dos chorros que hacen ángulo de 180°; con este método se busca distribuir la corriente a través
de toda la circunferencia del separador para mejorar la separación de fases; así ocurre la separación inicial de líquido y de gas, el líquido se va al fondo y el gas se va hacia arriba. En la parte superior del separador hay una sección extractora de humedad por la
cual tiene que pasar el gas antes de buscar la línea de salida. En este separador el volumen ocupado por la sección de acumulación de líquidos debe ser pequeño comparada con el volumen del separador a fin de que pueda manejar una cantidad alta de gas y éste pueda salir bien seco. El bafle horizontal con orificios se usa para separar las zonas de gas y de líquido.
Ventajas: 1. Más baratos que los horizontales o verticales. 2. Más compactos que los horizontales o los verticales, por lo que se usan en plataformas costa afuera.
3. Son más fáciles de limpiar que los separadores verticales. 4. Los diferentes tamaños disponibles los hacen el tipo más económico para instalaciones individuales de pozos de alta presión.
Desventajas: 1. Tienen un espacio de separación muy limitado.
3.8.
PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN SEPARADOR BIFÁSICO
3.8.1. Momentun o Cantidad de movimiento Fluidos con diferentes densidades tienen diferentes momentum. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de dirección, el fuerte momentum o la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que las partículas de la fase pesada se muevan tan rápidamente como las de la fase liviana, este fenómeno provoca la separación.
3.8.2. Fuerza de Gravedad Una vez dado al anterior mecanismo, las moléculas que no se separaron por el cambio de momentum del fluido quedan suspendidas en la segunda sección del separador, ellas quedan expuestas a las fuerzas de arrastre del líquido de acuerdo a la velocidad de las partículas y por otro lado a la fuerza propia de la gravedad. En el momento que ellas se equilibran y que la fuerza de la gravedad es ligeramente mayor que la de arrastre del fluido la partícula empieza a caer hasta almacenarse en la parte baja del separador.
3.8.3. Coalescencia En esta sección del separador están las partículas de HC´S más pequeñas las cuales no pueden ser separadas por gravedad. Se instalan sistemas tipo mallas, filtros, platos y en algunos casos materiales fibrosos que hacen que el gas y las gotas de HC que pasa a través de estos elementos tenga un camino altamente tortuoso haciendo que las gotas de líquido (que son las más pequeñas del proceso) se queden en estos dispositivos ayudándose entre ellas a juntarse cada vez más y breando gotas de mayor tamaño hasta que alcanzan un tamaño tal que la fuerza de la gravedad es capaz de vencer la fuerza de arrastre del gas y estas caen al fondo del separador. A esto se le denomina el fenómeno de coalescencia.
3.9.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SEPARACIÓN
La presión de la operación del separador bifásico depende de la presión de flujo y de las cantidades relativas de crudo y gas natural. Un cambio en la presión de la separación produce un cambio en la densidad del líquido y gas, en la velocidad permisible y en el volumen real del flujo. El efecto neto de un aumento de presión es un aumento en la capacidad del gas del separador, expresada en pies cúbicos estándar (SCF).La temperatura afecta la capacidad del separador a medida que afecta los volúmenes reales de flujo y las densidades del gas y del líquido. El efecto neto de un aumento de la temperatura de separación produce una disminución de la capacidad del separador. La eficiencia de separación depende las densidades del gas y del líquido. Un separador que opera a temperatura, presión y composición de flujo constante, tiene una capacidad
de gas proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de densidades de líquido y gas dividido por la densidad de gas. Las capacidades volumétricas de los separadores suponen separación por gravedad de gotas mayores de doscientas micras en la sección de separación secundaria, gotas más pequeñas se remueven en el extractor de niebla. La máxima velocidad del gas para la separación de las partículas líquidas de ciertos diámetros se basa en las propiedades físicas del líquido y el gas. Cuando las partículas que caen son pequeñas, ellas alcanzan rápidamente su velocidad de asentamiento y estas velocidades se usan para determinar el tiempo necesario para que una partícula que cae recorra una distancia dada.
3.10. Tiempo de Retención El líquido puede mantenerse en el separador por cierto tiempo para que el gas y el líquido alcancen el equilibrio a la presión de trabajo.
4. RECOMENDACIONES
Se debe realizar la limpieza mecánica y química cada seis meses de los separadores con el propósito de limpiar los componentes internos de residuos parafinosos o asfaltenicos, así como el fondo del recipiente y para tener el volumen apropiado de tratamiento.
Periódicamente se debe evaluar la presión de vapor a la entrada y salida de la corriente de fluido para evaluar la eficiencia de la separación.
5. CONCLUSIONES En los separadores no solo interesa saber que funciones o que procesos se efectúan durante la extracción del crudo si no también conocer y tener bien presente el paso a paso de los equipos en una batería de producción. En este informe se encuentran definiciones importantes sobre qué es un separador, también se identifica las partes y clases de separadores que existen en la industria para el proceso de separación de fluidos.
6. BIBLIOGRAFIA https://www.slideshare.net/WilsonZunini/separadores-liquidos-gas https://es.slideshare.net/rosadocastellanos/separadoresdehidrocarburos https://es.slideshare.net/LisandroHernandezPea/separadores-trifasicos-en-la-industriapetrolera https://es.scribd.com/doc/55828128/Que-es-un-separador
