TEMA 2 DISEÑO DE SEPARADORES M.Sc. Ing. Roger Alexandro Huanca Chambi
DIAGRAMA GENERAL DIAGRAMA GENERA L PLANTA DE EXTRACCION EXTRACCION DE LIQUIDOS
INTRODUCCION
El subsistema “Facilidades de entrada”, tiene como objetivo: controlar temperatura, presión, tasa y calidad de la alimentación de gas a la planta en situaciones de emergencia. El subsistema está integrado por separadores gas/líquido, trampas recolectoras de líquidos, sistemas de control y sistemas de enfriamiento del gas de entrada. En caso de que la presión no alcance las de operación, se incluye a los compresores.
Figura 1: Esquema simplificado del subsistema menor: Facilidades de Entrada
DESCRIPCION DEL PROCESO
El Subsistema “ Facilidades de Entrada,” recibe el gas
de alimentación a la planta y lo pone en condiciones físicas y operacionalmente apto para alimentarlo a la planta . Físicamente el subsistema está dotado de trampas para separar los líquidos que se condensan en los gasoductos de entrada a la planta. Separadores trifásicos forman parte del subsistema, éstos separan el agua y líquido residual del gas de entrada a proceso en la planta sobrepasan las trampas.
DESCRIPCION DEL PROCESO
Operacionalmente el subsistema “Facilidades de Entrada” (Figura) está dotado de válvulas reguladoras de flujo de entrada a la planta. Posee controladores de nivel de agua y de hidrocarburos líquidos en los separadores de entrada.
DESCRIPCION DEL PROCESO
OBJETIVOS DE SEPARACIÓN
El manejo discriminado de las diferentes fases en las operaciones de producción, hace que sea necesaria su separación y acondicionamiento con diferentes propósitos que pueden ser: Medir cada fase. Eliminar el fluido no deseado. Separación de gas. Separación de petróleo o condensado.
Con tal objeto se utilizan los separadores, que se ubican intercalados en las líneas de los fluidos producidos, generalmente posteriores al manifold, y con descargas de las fases separadas, conectadas a los circuitos receptores. También existen separadores de agua libre, y los denominados “scrubber”.
SCRUBBER
PRINCIPIOS FISICOS DE SEPARACION
Los principios físicos para la separación son: Insolubilidad entre los fluidos, el estado gaseoso y el líquido en condiciones estables de T y P, así como el agua y el petróleo, no son solubles, es decir que si bien se mezclan, no son miscibles, conservando su estructura. Diferencia de densidades, actuando el efecto de la gravitación, de manera que los fluidos se separan por diferencia en el peso de cada componente. Decantación, es el efecto de la gravedad sobre los diferentes pesos de los fluidos a separar, haciendo que el más pesado tenga la tendencia a acumularse en lo más profundo. Coalescencia, es la propiedad de las gotas de un mismo fluido a atraerse y unirse entre sí, facilitando el proceso de decantación.
MECANISMOS DE SEPARACION
Entre los mecanismos de separación , que tienen que ver con la estructura y diseño del equipo, se puede considerar como más importantes:
Choque de la mezcla a la entrada del separador , propondrá la dispersión de los
fluidos de diferente densidad. , asociado al principio de inercia, los cambios de velocidad Cambio de velocidad se manifestarán en una reducción de velocidad de cada una de las fases en forma diferente y consecuente con sus densidades. Cambio de dirección existe la tendencia a la separación entre fases, cuando al fluido se le modifica su dirección, generada por la diferencia de densidad de los fluidos. Tiempo de residencia, o de retención , es el tiempo que le lleva al fluido pasar por el separador. El tiempo de residencia es necesario para obtener una buena separación, pero posee una estrecha vinculación con la presión, temperatura y características del fluido. Mayor viscosidad = Mayor tiempo de residencia. Menor viscosidad = Menor tiempo de residencia. Superficie interfase: Es importante la mayor superficie en el área de contacto entre las fases. De aquí la conveniencia, en muchos casos, de utilizar separadores horizontales en lugar de los verticales. ,
CARACTERISTICAS DE LOS SEPARADORES
El separador está constituido por un cuerpo cilíndrico horizontal o vertical, diseñado especialmente para que por su interior circulen los fluidos que han de separarse; equipado con una serie de elementos y dispositivos que favorecen dicha separación. Los separadores más usados en la industria se pueden clasificar según el tipo de separación como: Bifásicos Trifásicos.
CLASIFICACION DE SEPARADORES
Al considerar la forma y posición del recipiente, los separadores se clasifican en tres tipos: Verticales. Horizontales. Esféricos.
La selección del tipo de separador se fundamenta en la aspiración de alcanzar los resultados deseados al menor costo.
CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS
Presión de trabajo: Es la presión recomendada por el fabricante para una operación
Temperatura de trabajo: Es la temperatura recomendada por el fabricante para una
Presión de prueba: Es la máxima presión con que se ha probado el equipo en
normal.
operación normal.
fábrica, y el valor más alto garantizado con el equipo nuevo. Normalmente es un 50 % más del valor de la presión nominal. Caudal de gas: Es el caudal máximo de gas permisible para una garantizada eficiencia con los valores de temperatura y de presión denominadas como de trabajo. Caudal de líquido: es el caudal máximo de líquido permisible para una garantizada separación con los valores de presión y temperatura descriptos anteriormente. Los equipos varían en tamaño y espesor de pared, según los caudales a tratar y las presiones de trabajo. Los diámetros más frecuentes son de 18 a 60 pulgadas, las alturas tienen gran variedad, entre 1.5 y 7 metros y la presión de trabajo pueden ser de aproximadamente 30 PSI (baja presión) a los de alta presión, equipos que pueden trabajar con más de 3000 PSI.
CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS
CONDICIONES MECÁNICAS DE LOS SEPARADORES
ZONAS INTERNAS DE UN SEPARADOR
Sección Primaria: A la entrada, compuesta por las
placas deflectoras, el difusor o el distribuidor ciclónico. Sección Secundaria: En el intermedio del cuerpo del equipo, donde se realiza la retención de espuma, se realiza la separación de las gotas de líquido y la rectificación de flujo mediante placas paralelas horizontales en la fase gas (coalescedor o atrapador de gotas), y rompeolas en la fase líquido. Sección Aglutinadora: A la salida de la fase gas, donde se encuentra el retenedor o atrapador de niebla. de Líquidos: La parte inferior del Acumulación separador y la/s descarga/s de líquido/s del equipo.
ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SEPARADOR 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Entrada de Producción Plato difusor Rectificador/Coalescedor Retenedor/Rompedor de espuma Rebalse Rompedor de Vortex Extractor de Niebla
8. 9. 10. 11. 12. 13.
Salida de Gas Salida de Petróleo Salida de Agua Entrada de para mantenimiento Válvulas de Alivio Disco de Ruptura
ELEMENTOS INTERIORES DEL SEPARADOR
DESVIADORES DE INGRESO . La figura muestra dos tipos básicos de desviadores que se utilizan comúnmente. El primero es un deflector. Este puede ser un plato esférico, un plato plano, un hierro angular, un cono o cualquier obstrucción que cumplirá con el objetivo de cambiar abruptamente la dirección y la velocidad del fluido. El segundo dispositivo demostrado en un ingreso ciclón que utiliza fuerza centrífuga, en vez de agitación mecánica, para desengranar el petróleo y el gas.
ELEMENTOS INTERIORES DEL SEPARADOR
PLACAS ANTI-ESPUMA. La espuma en la interfaz puede ocurrir cuando las burbujas de gas se rompen en la superficie del líquido. La espuma puede ser estabilizada con la adición de químicos en el ingreso.
ELEMENTOS INTERIORES DEL SEPARADOR
ROMPEDOR DE VORTEX Normalmente es buena idea incluir un simple “vórtice interruptor”, como muestra la figura, para prevenir que se desarrolle un vórtice cuando la válvula de control de líquidos está abierta. Un vórtice podría extraer el gas del espacio de vapor y volverlo a arrastrar en la salida de líquidos.
ELEMENTOS INTERIORES DEL SEPARADOR
EXTRACTOR DE NEBLINA Los dispositivos de extracción de neblina más comunes: almohadillas de malla de alambre, placas en arco, y aletas. La experiencia indica que un extractor de la malla de alambre de un tamaño apropiado puede remover el 99% de las gotas de 10 micras o mayores.
SISTEMAS DE SEGURIDAD
Todo separador debe tener instaladas en su extremo superior una válvula de seguridad a resorte, calibrada para que abra a un 20% por debajo de la presión máxima que soporta el equipo y además, un disco de ruptura que se destruya con un 10% de presión menor a la máxima del equipo. VALVULA DE ALIVIO
DISCO DE RUPTURA
DISEÑO CONCEPTUAL DE SEPARADORES
El diseño de un separador se refiere a las consideraciones que se deben hacer para calcular y decidir sobre el dimensionamiento y selección de los equipos que debe llevar un separador. El término “conceptual” atañe a las consideraciones o conceptos en los cuales se apoya el ingeniero para calcular y decidir sobre la mejor selección técnico económica. Para hacer los cálculos y escoger el equipo más apropiado el diseñador se apoya de manera especial en las normas existentes.
DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
PARAMETROS NECESARIOS PARA DISEÑAR UN SEPARADOR 1. 2. 3. 4. 5.
Composición del fluido que se va a separar. Caudal del gas en condiciones normales. Presión de operación. Temperatura de operación. Factor de compresibilidad del gas en las condiciones de operación. 6. Densidad del gas en las condiciones de operación. 7. Velocidad crítica del gas dentro de la unidad. 8. Cantidad de líquido y de gas dentro de la unidad. 9. Tipo de líquido: gravedad. 10. Tiempo de retención asignado al líquido. 11. Dimensionamiento del recipiente.
DISEÑO DE SEPARADOR VERTICAL
CONSTANTE K (factor de tamaño o carga) En la ecuación de Sounders y Brown, es uno de los parámetros que mayor relevancia tiene al predecir el comportamiento de los fluidos dentro de un recipiente y el cálculo del diámetro mínimo del separador. Es el valor que acerca o aleja las predicciones del funcionamiento real del sistema.
Según GPSA:
Según normas PDVSA
EJEMPLO 1: DISEÑO DE UN SEPARADOR VERTICAL
Con el fin de calcular un separador vertical, se enumeran a continuación los principales parámetros en los cuales se puede soportar el diseño:
Flujo volumétrico de gas (Qn) = 250 MMft3d. Relación volumétrica líquido/gas (RLG) = 26 Bls/MMft3 Densidad del gas fluyente ( ρg) = 1.93 lbs/ft3 (Z = 0.99) Peso molecular del gas (Mg) = 23.212 lbs/lb-mol. Densidad del líquido fluyente ( ρl) = 50 lbs/ft3. Presión de operación (Po) = 480 psig. Temperatura de operación (To) = 100 ºF. Condiciones normales: Pn = 14.7 psia y Tn = 60 ºF. Espesor de la malla de retención de partículas atrapadas en el vapor (Hm) = 6 pulg. Diámetro de las tuberías de entrada y salida del separador (Nod) = 20 pulg. Las tasas de flujo usadas para el diseño son 20% mayores que las correspondientes a los caudales operacionales. Se supone que el tamaño de las placas de acero varía entre 8 y 10 pies de altura. Se requiere determinar las dimensiones de un separador que opere en las condiciones antes dadas.
PASO 1: Calcular la velocidad crítica
PASO 2: Evaluar el flujo volumétrico del gas en condiciones de operación.
3
=
PASO 3: Determinar el valor del diámetro mínimo del separador
ñ
=á
= 1.2 ×
=
(
ñ )
PASO 4: Calcular el valor de retención del líquido (Vrl)
PASO 5: Determinar la altura total del separador (H o L)
Se recomienda que la distancia entre la entrada al separador y el nivel más alto del liquido sea de dos pies aproximadamente, por tanto:
NOMENCLATURA DE DISEÑO
SOLUCION FINAL
EJEMPLO 2: DISEÑO DE UN SEPARADOR HORIZONTAL
Se desea diseñar un separador horizontal, bajo las siguientes condiciones:
Caudal de petróleo (Bppd) = 128000 Bls/D Producción de agua (Bapd) = 18000 Bls/D Caudal de gas (Qn) = 297 MMft3d Presión de operación (Po) = 650 psig. Temperatura de operación (To) = 170 ºF Densidad del gas en condiciones de operación ( ρg) = 2.40 lb/ft3. Factor de compresibilidad (Z) = 0.9 Gravedad específica del liquido ( ρl) = 0.83 Tiempo de retención del líquido (trl) = 3 min. Volumen adicional en la alimentación (Vb) = 170 Bbls Presión a condiciones normales (Pn) = 14.7 psia. Temperatura a condiciones normales (Tn) = 60 ºF. Valor de constante de Souders y Brown (K) = 0.157 Se requiere determinar el diámetro de un separador horizontal de 60 ft de longitud, (L = 60 ft.)
PASO 1: Calcular la velocidad crítica
PASO 2: Determinar el área de flujo de gas.
Caudal de gas en condiciones de operación [ft3/s]:
Área del flujo de gas [ft2]:
PASO 3: Calcular el volumen y el área transversal ocupados por el líquido
Volumen del líquido retenido, incluyendo los “baches” del mismo en STB: Área disponible para líquido [ft2]:
