2.2 Métodos de Diseño de Separadores

8/16/2019 2.2 Métodos de Diseño de Separadores

1/82

• Mínimos Requerimientos de Compresión• Máxima Recuperación de Líquidos• Método de Arnold• Método de Campbell.• Método empírico de Frick.

2.2 MÉTODOS PARA ELDIMENSIONAMIENTO Y

CONDICIONES DE OPERACIÓN DELOS SEPARADORES.


2/82

MínimosRequerimientosde Compresión


3/82

Sistema de separación de tres etapas

qg1 qg2 qg3

P1= Dato [psia] P2= ? [psia] P3= Dato [psia]

T1= Dato °F T2= Dato °F T3= Dato °F

P0TANQUE

LIQUIDO

Entrada dealimentación


4/82

Mínimos Requerimientos de Compresión

La figura muestra un proceso de etapas de separación. El líquido se separa a

una presión inicial y después sucesivamente a presiones más bajas hasta llegaral tanque de almacenamiento. Determinar la presión óptima en la segunda etapapor mínimos requerimientos de compresión de un sistema de separación de tresetapas:

Datos adicionales:

Pd [lb/pg2 abs]qo [BPD]gg=0.9@100 lb/pg2 abs y 80 °Fgo[API]Rp= 1100 ft3/barril = RGA


5/82

Procedimiento

1) Con la correlación de Vázquez calcular:

2) Con la relación gas disuelto-aceite (Rs).

Donde:

))](101)(7.114

log())((5912.01[,@

4

7.114@ T P g

sep

sep g x p

T API

06.56

)10)()(( 395.10187.1 A g p Rs

460

T

API

A


6/82

Procedimiento

Suponer P2 menor que Pd de tal forma que para cada

etapa se tiene:

Etapa 1:

Etapa 2:

Etapa 3:

3) Con el qo [BPD] y la Rp [ft3/barril] se obtiene el qg paracada etapa.

46011

T

API A

4602

2

T

API A

46033

T

API A

06.56

)10)()(( 1395.10187.1

1

1

A

g p Rs

06.56

)10)()(( 2395.10187.1

2

2

A

g p Rs

06.56

)10)()(( 3395.10187.1

3

3

A

g p Rs

o g q Rs Rpq )( 11

o g q Rs Rsq )( 212 o g q Rs Rsq )( 323

][

3

día

ft

q g


7/82

Procedimiento en la primera etapa de separación

4) Calcular la potencia al freno:Primera Etapa:

4.1) obtener el valor de Rc:

Ps = P1

Si Rc < 4 → Nc =1Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=2

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=3

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=4

5) obtener el peso molecular del gas (PMg)

Nc

Ps

Pd Rc

1

2/1

Ps

Pd

Ps

Pd

2/1

Ps

Pd 3/1

Ps

Pd

3/1

Ps

Pd 4/1

Ps

Pd

)(97.28][ g mol

lb PMg

F y pg

lb g 80][100@2


8/82


6) Obtener la constate de equilibrio “K”:

7) Calcular la Potencia al freno (Hp):

Donde:

2.1164

))]31.1041(4.2328(2387983[31.1545 2/1 PMg K

))(1

](1[5.441

)1(

g K K

q K K Rc Nc HP

].@[ sc MMPCDq g


9/82


8) Obtener la eficiencia del compresor “Ec”:

9) Potencia necesaria considerando la eficiencia del compresor “BHP”

)480065.0

(969882.0 Rc

Ec

Ec

HP BHP 1


10/82

Procedimiento en la segunda etapa de separación

Segunda Etapa:

4.2 ) obtener el valor de RcPs = P2 (presión supuesta)Si Rc < 4 → Nc =1

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=2

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=3

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=4

Los valores de PMg y K son los mismos de la primera etapa.

7.2) Calcular la Potencia al freno (Hp):

Ps

Pd 2/1

Ps

Pd

2/1

Ps

Pd 3/1

Ps

Pd

3/1

Ps

Pd 4/1

Ps

Pd

))(1

](1[5.442

)1

(

g K

K

q K

K Rc Nc HP

Nc

Ps

Pd Rc

1


11/82

Procedimiento en la segunda etapa de separación

8.2) Obtener la eficiencia del compresor “Ec”:

9.2) Potencia necesaria considerando la eficiencia delcompresor “BHP”

)480065.0

(969882.0 Rc

Ec

Ec

HP BHP 2


12/82

Procedimiento en la tercera etapa de separación

Tercera Etapa:4.3 ) obtener el valor de Rc

Ps = P3 (en algunos casos la presión en el tanque dealmacenamiento es la presión atmosférica )

Si Rc < 4 → Nc =1

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=2

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=3

Si Rc = > 4 → < 4 → Nc=4

Los valores de PMg y K son los mismos de la primera etapa.

7.3) Calcular la Potencia al freno (Hp):

Ps

Pd 2/1

Ps

Pd

2/1

Ps

Pd 3/1

Ps

Pd

3/1

Ps

Pd 4/1

Ps

Pd

))(1

](1[5.443

)1

(

g K

K

q K

K Rc Nc HP

Nc

Ps

Pd Rc

1


13/82

Procedimiento en la tercera etapa de separación

8.3) Obtener la eficiencia del compresor “Ec”:

9.3) Potencia necesaria considerando la eficiencia del compresor “BHP”

)480065.0

(969882.0 Rc

Ec

Ec

HP BHP 3


14/82

Obtención de la presión óptima de la segunda etapa pormínimos requerimientos de compresión

10) Se obtiene la potencia necesaria considerando la eficiencia del compresor

total “BHPTotal”, para el primer valor de P2 supuesto.

Se supone otro valor de P2 a partir del paso número 2 y se calcula nuevamentetodos los valores requeridos en los siguientes pasos.

Se obtiene una tabla de P2[psia] vs BHPtotales [Hp].

321 BHP BHP BHP BHP total

P2 supuestas BHP totales

100

200

300

400

500

600

700

800

Graficamos los valores y se obtiene la presiónóptima de la segunda etapa por mínimosrequerimientos de compresión.


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Nomenclatura

Pd → Presión de descarga y/o de succión.qo → Gasto de aceite.gg → Densidad relativa del gas.go → Densidad relativa del aceite.Rp = RGA → Relación gas-aceite.Rc → Relación de compresión.Ps → Presión de succión.Hp → Potencia al freno: Potencia necesaria para comprimir el gas e inyectarloa la línea.K → Constante de equilibrio, (relación de calores específicos, Cp/Cv)Nc → Número de pasos de compresión. Ec → Eficiencia del compresor.BHPT → Potencia necesaria considerando la eficiencia del compresor.HP → potencia teórica, en caballos de fuerza (HP).


16/82

Ejemplo # 1Mínimos Requerimientos de compresión

qg1 qg2 qg3

P1= 800 [psia] P2= ¿? [psia] P3= 50 [psia]

T1= 170 °F T2= 145 °F T3= 120 °F

Pd

Determinar la presión óptima en la segunda etapa por mínimos requerimientos

de compresión de un sistema de separación de tres etapas con las siguientescondiciones:

Entrada dealimentación

TANQUE

LIQUIDO


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Ejemplo # 1Mínimos Requerimientos de compresión

Realizar la gráfica de Presiones supuestas en la segunda etapa [psia] vsPotencia total [Hp] .

Para dar solución al ejercicio, en primer lugar tomaremos como punto departida las propiedades del fluido :

Datos Adicionales

Pd = 800 [PSIA]

qo= 1000 [BPD]

g= 0.9 @

o= 35 ° API

Rp = 1100 RGAPsep = 100 [PSIA]

Tsep = 80 °F

100 [psia] y 80 °F


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SoluciónEjemplo # 1

1.- Con la correlación calculamos primero la densidad relativa del gas

medido a 114.7

2.- Con la relación gas disuelto-aceite (Rs).

))](101)(7.114

log())((5912.01[,@

4

7.114@ T P g

sep

sep g x p

T API

)9.0)](101)(7.114

100log()80)(35(5912.01[ 4

7.114@

x g

[email protected] = 0.89112610

460

T

API A

06.56

)10)()(( 395.10187.17.114@ A

g p Rs

Suponer P2= 700 [psia]

460170

351

A

Etapa 1 A1=0.0555555

6

Etapa 2 A2=0.0578512

4

Etapa 3 A3=0.0603448

3

460145

352

A

460120

353

A

06.56

)10)(800)(8911.0( )0555.0(395.10187.1

1 RsRS1=

167.785291

RS2= 151.279848

RS3=7.0024166

5

06.56

)10)(700)(8911.0( )0578.0(395.10187.1

2

Rs

06.56

)10)(50)(8911.0( )0603.0(395.10187.1

3 Rs

][3

baril

ft

][3

baril

ft

][3

baril

ft


19/82


3.- Con el qo [BPD] y la Rp [ft3/barril] se obtiene el qg para cada etapa.

4.- Calcular la potencia al freno:Primera Etapa: Ps = P1= 800 [psia]

. → 5.- obtener el peso molecular del gas (PMg)

6.- Obtener la constate de equilibrio “K”:

1000)167.7852911100(1

g q

1000)151.279848-167.785291(2 g qqg1=

932214.709

1000)7.00241665-151.279848(3 g qqg2=

16505.4425

qg3=144277.43

1

][3

día

ft

][3

día

ft

][3

día

ft

1800

800 Rc 1 Nc

)9.0(97.28][ mol

lb PMg PMg= 26.073 ][mol

lb

2.1164

))]073.2631.1041(4.2328(2387983[31.1545 2/1

K

K= 1.19399726

Nc

Ps Pd Rc

1


20/82

Equilibrio liquido vapor

7.- Calcular la Potencia al freno (Hp):

8.- Obtener la eficiencia del compresor “Ec”:


)/1X10932214.709()16(1.1939972

1.19399726]11)[1(5.44 6

)1.19399726

11.19399726(

HP

HP= 0 [Hp]

)1

480065.0(969882.0 Ec

Ec= 0.489817

][0489817.0

01 Hp BHP


21/82


Segunda Etapa:

4.2 ) obtener el valor de Rc: Ps = P2 (presión supuesta) =700[psia]

→ 7.- Calcular la Potencia al freno (Hp):



700

800 Rc

Rc= 1.142857141 Nc

)/1X1016505.4425)(

11.19399726

1.19399726](11.14285714)[1(5.44 6

)1.19399726

11.19399726(

HP

HP= 0.09914944 [Hp]

)1.14285714

480065.0(969882.0 Ec Ec= 0.54982513

0.54982513

0.099149442 BHP BHP2= 0.18032904[Hp]

Nc

Ps

Pd Rc

1


22/82


Tercera Etapa:4.2 ) obtener el valor de Rc: Ps = P3 =50[psia]

Si > 4 → > 4→ < 4 → Nc=3

7.- Calcular la Potencia al freno (Hp):



1650

800 Rc

)/1X10144277.431)(11.19399726

1.19399726](12.5198421)[3(5.44 6

)1.19399726

11.19399726(

HP

HP= 19.2069678 [Hp]

)2.5198421

480065.0(969882.0 Ec Ec= 0.77936808

0.77936808

19.20696782 BHP BHP3= 24.6442834[Hp]

450

800 2/12/1

Ps

Pd

5198421.250

800 3/13/1

Ps

Pd

Nc

Ps

Pd Rc

1


23/82


10) Se obtiene la potencia necesaria considerando la eficiencia del

compresor total “BHPTotal”, para el primer valor de P2 =700 [psia] supuesto.

Se supone otro valor de P2 y se realizan los cálculos correspondientes paracada una de las etapas. En resumen se muestra para cada etapa losvalores de los cálculos requeridos en la obtención de la presión óptima en lasegunda etapa de separación por mínimos requerimientos de compresión.

321 BHP BHP BHP BHP total

24.64428340.180329040 total BHP

BHP total = 24.8246124[Hp]


24/82


][3

baril

ft ][

3

día

ft

Primera Etapa:

P2 A1= 0.055556

supuesta RS1 qg1 Rc Nc HP [Hp] Ec BHP1700 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

600 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

500 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

400 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

300 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

200 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

100 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0

50 167.785 932214.709 1 1 0 0.4898 0


25/82


][3

baril

ft ][

3

día

ft

Segunda Etapa:

P2 A2= 0.057851

supuesta RS2 qg2 Rc Nc HP [Hp] Ec BHP2700 151.2798 16505.4425 1.1429 1 0.0991 0.5498 0.1803

600 125.984 41801.3349 1.3333 1 0.5478 0.6098 0.8983

500 101.4675 66317.7576 1.6 1 1.4414 0.6698 2.1518

400 77.8565 89928.7835 2 1 2.9361 0.7298 4.0229

300 55.3341 112451.218 2.6667 1 5.3209 0.7899 6.7365

200 34.1958 133589.527 2 2 8.7231 0.7298 11.952

100 15.0193 152765.99 2.8284 2 15.4004 0.8002 19.2468

50 6.5967 161188.585 2.5198 3 21.4583 0.7794 27.5329


26/82


][3

baril

ft ][

3

día

ft

Tercera Etapa:

P2 A3= 0.060345

supuesta RS3 qg3 Rc Nc HP [Hp] Ec BHP3700 7.002 144277.4315 2.5198 3 19.2070 0.7794 24.6443

600 7.002 118981.5391 2.5198 3 15.8394 0.7794 20.3234

500 7.002 94465.1164 2.5198 3 12.5757 0.7794 16.1358

400 7.002 70854.0905 2.5198 3 9.4325 0.7794 12.1027

300 7.002 48331.6560 2.5198 3 6.4342 0.7794 8.2556

200 7.002 27193.3474 2.5198 3 3.6201 0.7794 4.6449

100 7.002 8016.8838 2.5198 3 1.0672 0.7794 1.3694

50 7.002 -405.7111 2.5198 3 -0.0540 0.7794 -0.0693


27/82

Optimización de la presión de separación en un sistema deseparación de tres etapas

][3

día

ft

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

Presión en la segunda etapa [psia]

P o t e n c i a t o t a l [ H p ] " B H P T

o t a l "

Mínimos Requerimentos de Compresión

P2 supuestas BHP Total

700 24.8246600 21.2218

500 18.2876

400 16.1256

300 14.9921

200 16.5969

100 20.616250 27.4636

P2Óptima

HPmin

En la gráfica se puede observar que la presión óptima de separación en la

segunda etapa que se obtiene para el BHP total mínimo requerido en laseparación.


28/82

Optimización de la presión de separación en un sistema deseparación de tres etapas

P2 supuestas BHP Total

300 14.9921

290 14.9538

280 14.9323

270 14.9285

260 14.9437

250 14.9792

240 15.0364

230 15.1171

220 15.2233210 15.3570

200 15.5209

14.8

14.9

15

15.1

15.2

15.3

15.4

15.5

15.6

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

Presión en la segunda etapa [psia]

P o t e n c i a l t o t a l [ H p ]

Mínimos Requerimientos de Compreión

P2

Óptima

HPmin

Graficando los valores de 300 [psia] a 200 [psia] se observa el BHP total mínimo

requerido en la separación.


29/82

Máxima Recuperación de Líquidos


30/82

El método consiste en asignar presiones a las etapas de separación, realizarlos cálculos de equilibrio vapor – líquido y calcular los valores de ladensidad del aceite a condiciones estándar, el factor de volumen y larelación gas – aceite producida; esto se repite con todas las presionesposibles en la etapas de prueba y se eligen las presiones que proporcionenlos valores mínimos de las propiedades mencionada.

La presión de separación óptima se define como la presión a la cual se tiene elmáximo volumen de líquido en el tanque de almacenamiento por volumenproducido del aceite a condiciones de yacimiento. Esta presióncorresponde a los valores mínimos de la densidad del aceite, la relacióngas aceite y el factor de volumen.


31/82

Balance de materia para un sistema de separación gas-aceite de tres etapas

La separación por etapas es un proceso en el cuál la fase gaseosa es

removida del líquido por dos, tres o más etapas de separación instantánea,llevadas a cabo a una presión menor que la anterior. Una separación poretapas es especialmente ventajosa en tratamientos de aceites volátiles ycondensados.

Vs1=? Vs2=? Vs3=?

ng1=? ng2=? ng3=?

F1=1.0 F2=? F3=? F4=?

nT=?

L1=? L2=? L3=?

P1= Dato [psia] P2= Dato [psia] P3= Dato [psia]

T1= Dato °F T2= Dato °F T3= Dato °F

TANQUE

LIQUIDO

A B

C

D

E

F

GMezcla dealimentación


32/82


Para obtener el Vs correcto en la primera etapa se realiza una interpolación lineal con lasiguiente expresión:

P R I M E R A E T A P A

Composición delAceite



Vs1=supuesto Vs2=supuesto Vscorrecto

Ci Zi Ki Xi Yi Xi Yi Xi Yi

C1 Dato Dato X1

C2 Dato Dato X2

.

.

C7+ Dato Dato Xc7+

1)1(1

KiVs

Zi Xi

1)1(2

KiVs

Zi Xi

i

Xi i

Xi1i

Zi

)1( 212

121

i

ii

correcto Vs XiVs XiVs Xi

VsVsVsVs

Ki XiYi

P1

T1

1i

Xi 1i

Yi

B l d i i d ió


33/82


Para obtener el Vs correcto en la segunda etapa se realiza una interpolación lineal con lasiguiente expresión:

S E G U N D A E T A P A






Etapa1

C1 X1 Dato X1

C2 X2 Dato X2

.

.

C7+ Xc7+ Dato Xc7+

1)1(1

KiVs

Zi Xi

1)1(2

KiVs

Zi Xi

i

Xi i

Xi1i

Zi

)1( 212

121

i

ii


VsVsVsVs

Ki XiYi

P2

T2

1i

Xi 1i

Yi


34/82


Para obtener el Vs correcto en la tercera etapa se realiza una interpolaciónlineal con la siguiente expresión:

T E R C E R A E T A P A






Etapa2

C1 X1 DatoC2 X2 Dato

.

.

C7+ Xc7+ Dato

1)1(1

KiVs

Zi Xi

1)1(2

KiVs

Zi Xi

i

Xi i

Xi1i

Zi

)1( 212

121

i

ii


VsVsVsVs

Ki XiYi

P3

T3

1i

Xi 1i

Yi

Balance de materia para un sistema de separación gas-


35/82


Si F1=1 son los moles alimentados al tren de separación de tres etapas de tal

manera que para cada etapa se tiene:

Donde V1,V2,V3 son las fracciones molares en la fase vapor en equilibrio encada etapa de separación y L1,L2,L3 son las fracciones molares en la fase líquidaen equilibrio para cada etapa de separación respectivamente.Por otra parte F2, F3, F4 son los moles de líquido recuperados después de cadaetapa de separación.

Los valores de ng1, ng2, ng3, representan los moles de gas separado despuésde cada etapa de separación respectivamente.

Primera Etapa

V1 = Vs1

L1= (1-V1)

F2= F1L1

ng1= F1V1

Segunda Etapa

V2= Vs2

L2= (1-V2)

F3=

F2L2=F1L1L

2

ng2=F2V2=F1L1V

2

Tercera Etapa

V3= Vs3

L3= (1-V3)

F4=

F3L3=F1L1L2L

3

ng3=F3V3=F1L1L2

V3

Mol de Aceite Mol de Aceite

Mol de Gas Mol de Gas

Fracción Mol enla fase vapor

Fracción Mol enla fase vapor


36/82


Los moles de líquido recuperados en el tanque de almacenamiento (mol de aceite), por mol de

alimentación al sistema se obtiene con la siguiente expresión:

Para un número determinado “m” de etapas se tiene:

nt=F1(LmLm-1….L1)=

L3= F4 son los moles retenidos en el tanque de almacenamiento. Para cada etapa ng es elnúmero de moles de gas separado por mol de alimentación. El volumen de aceite en el tanquede almacenamiento puede ser calculado a partir de la densidad y el peso molecular del aceite.

3.@

3

][

][

pielb

mol lb

lbm PM mol lbn

pieV

m sct o

T t

ot

n

i

iT PM Xi PM 1

n

ii

i

n

i

sc

PM Xi

PM i Xi

scot

1

1

.@

.@

m

i

i L F 1

1

3211t LLLFn

B l d t i i t d ió


37/82


Los volúmenes de gas separado por etapas son calculados mediante los moles

de gas liberado en cada etapa (ng) y el volumen molar del gas a condicionesestándar de la siguiente manera:

RGA total

g11 VMngVG

g22 VMngVG

g33 VMngVG

gi VMngVG

.

.

.

i

Convers iones

][428.62][133

ft

lb

cm

g

gas gasm g ft mol lbVM ][4.379][1 3

AceiteAceite3 barril1][615.5 ft

oT

321Total

V

VGVGVGRGA

B l d t i i t d ió


38/82


La relación gas-aceite definida como volumen de gas a volumen de líquidos, a

condiciones estándar, puede ser determinada por medio de la expresión:

El peso molecular del aceite en el tanque de almacenamiento es calculado

mediante la composición de la fase líquida y el peso molecular de cadacomponente:

La densidad del aceite a condiciones del tanque, ρot se determina a partir de lacomposición de la fase líquida en el tanque de almacenamiento y la densidadde cada componente medido a condiciones estándar.

T t

ot g i

ot

T t

g i

ot

ii

PM n

VM ng

PM n

VM ng

V

VG RGA

n

i

iT PM Xi PM 1

n

i

i

i

n

iot

PM Xi

PM i Xi

1

1

Balance de materia para un sistema de separación


39/82

Balance de materia para un sistema de separacióngas-aceite de tres etapas

Por lo tanto la relación gas-aceite total es la sumatoria de las relaciones gas-aceite por etapa.

Estas propiedades son una representación del funcionamiento de un sistema

de separación gas-aceite.

m

i

i RGA1

TotalRGA


40/82

Volumen de liquido recuperado por mole de alimentación al sistema

Donde


41/82

RGA total

Bo


42/82

Nomenclatura

Densidad del aceite total.Peso Molecular total.Presión de convergencia supuesta (punto donde convergen lafase líquido y la fase vapor).

scot .@

T PM

K

P

F →Fracción molar presente en la entrada de la mezcla de

alimentación.V → Número de moles en la fase vapor.L → Número de moles en la fase líquida.Xi → Fracciones molares de las componentes de la faselíquida.Yi → Fracciones molares de las componentes de la faseVapor.Zi → Fracción molar de la corriente de alimentación.Ki → Relación o constante de equilibrio vapor-líquido.nt → Número total de moles para la fase líquida.ng→ Moles de gas separado.

Ej l # 1


43/82

Ejemplo # 1

Calcular la RGA total a partir del método de Balance de Materia para un sistemade separación gas-aceite de tres etapas?

Vs1=? Vs2=? Vs3=?

ng1=? ng2=? ng3=?

F1=1.0 F2=? F3=? F4=?

nT=?

L1=? L

2=? L

3=?

Datos

P1= 654.7 [psia] P2= 100 [psia] P3= 14.7 [psia]

T1= 140 °F T2= 135 °F T3= 104 °F

TANQUE

LIQUIDO

A B

C

D

E

F

G

cc

g scot 8439.0

.@

mol lb

lbm PM T 203

abs

pg

lb P K 23000


44/82

Ejemplo # 1

Datos adicionales de la mezcla de alimentación.

Componentes

Fracción

Const deequilibrio

Ci Zi Ki

H2S 0.0157 1.18

CO2 0.0214 4

N2

0.0037 9.3

C1 0.4921 5.2

C2 0.1038 1.5

C3 0.0594 0.64

i-C4 0.0120 0.32

n-C4 0.0283 0.25

i-C5 0.0121 0.132

n-C5 0.0170 0.11C6 0.0246 0.05

C7+ 0.2099 0.023

7

2

1C

S H i

Zi


45/82

Cálculos de la Primera etapa de separación

Para obtener cada una de las fracciones molares de las componentes de la

fase líquida (Xi) proponemos el valor de Vs1=0.5

Los cálculos se realizan para cada componente de la mezcla dealimentación demostrando que para un sistema definido se tiene que


Componentes

Fracción

Const deequilibrio Vs=0.5

Ci Zi Ki Xi Xi

H2S 0.0157 1.18 0.0144037

CO2 0.0214 4 0.0085600

N2 0.0037 9.3 0.0007184

C1 0.4921 5.2 0.1587419

. .

. .

. .

1)118.1(5.0

0157.0

1)1(2

2

2

1

S H

S H

S H KiVs

Zi Xi

1)14(5.0

0214.0

1)1(2

2

2

1

Co

Co

Co KiVs

Zi Xi

1)13.9(5.0

0037.0

1)1(2

2

2

1

N

N

N KiVs

Zi Xi

1)12.5(5.0

4921.0

1)1(1

1

1

1

C

C

C KiVs

Zi Xi

1i

Xi


46/82

Primera etapa de separaciónEquilibrio Líquido-Vapor (Fracción Líquido)


Composición delAceite Composición del Aceite Composición del Aceite

Vs=0.5 Vs=0.6 VsCorrecto=0.588


H2S 0.0157 1.18 0.01440 0.01417 0.01420 0.01675

CO2 0.0214 4 0.00856 0.00764 0.00774 0.03097

N2 0.0037 9.3 0.00072 0.00062 0.00063 0.00585C1 0.4921 5.2 0.15874 0.13980 0.14183 0.73753

C2 0.1038 1.5 0.08304 0.07985 0.08022 0.12032

C3 0.0594 0.64 0.07244 0.07577 0.07535 0.04822

i-C4 0.0120 0.32 0.01818 0.02027 0.01999 0.00640

n-C4 0.0283 0.25 0.04528 0.05145 0.05063 0.01266

i-C5 0.0121

0.13

2 0.02138 0.02525 0.02471 0.00326n-C5 0.0170 0.11 0.03063 0.03648 0.03566 0.00392

C6 0.0246 0.05 0.04686 0.05721 0.05573 0.00279

C7+ 0.20990.02

3 0.41036 0.50725 0.49327 0.01135

1 0.9105924 1.01575900.999970

7 1.000020

5

Tabla 1 P1=654.7[psia]

T1=140°F

A B C

Segunda etapa de separación


47/82

Segunda etapa de separaciónEquilibrio Líquido-Vapor (Fracción Líquido)

S E G U N D A E T A P AComposición del Aceite Composición del Aceite Composición del Aceite



H2S 0.01420 8 0.00503 0.00458 0.00474 0.03790

CO2 0.00774 20 0.00130 0.00116 0.00121 0.02412

N2 0.00063 128 0.00002 0.00002 0.00002 0.00216

C1 0.14183 30 0.01661 0.01462 0.01529 0.45882

C2 0.08022 7 0.03133 0.02865 0.02958 0.20706

C3 0.07535 2.6 0.05321 0.05091 0.05173 0.13451

i-C4 0.01999 1.15 0.01924 0.01913 0.01917 0.02205

n-C4 0.05063 0.9 0.05198 0.05219 0.05211 0.04690

i-C5 0.02471 0.4 0.02928 0.03014 0.02982 0.01193

n-C5 0.03566 0.33 0.04319 0.04463 0.04409 0.01455

C6 0.05573 0.12 0.07227 0.07572 0.07441 0.00893

C7+ 0.49327 0.048 0.65553 0.69047 0.67721 0.03251

0.99997 0.9789990 1.0122287 0.9993866 1.0014337

Tabla 2P2=100

[psia]

T2=135°F

D E

Tercera etapa de separación


48/82

p pEquilibrio Líquido-Vapor (Fracción Líquido)

T E R C E R A E T A P A

Composición del Aceite Composición del Aceite Composición del Aceite



H2S 0.00474 33 0.00113 0.00074 0.00089 0.02936

CO2 0.00121 86 0.00013 0.00008 0.00010 0.00831

N2 0.00002 560 0.00000 0.00000 0.00000 0.00012

C1 0.01529 180 0.00081 0.00049 0.00061 0.10939

C2 0.02958 37 0.00643 0.00415 0.00505 0.18677

C3 0.05173 12.0 0.02464 0.01803 0.02082 0.24982

i-C4 0.01917 4.80 0.01389 0.01165 0.01267 0.06083

n-C4 0.05211 3.4 0.04203 0.03701 0.03936 0.13382

i-C5 0.02982 1.5 0.02853 0.02770 0.02811 0.04076

n-C5 0.04409 1.10 0.04365 0.04335 0.04350 0.04785

C6 0.07441 0.37 0.07942 0.08334 0.08133 0.03009

C7+ 0.67721 0.130 0.74174 0.79475 0.76733 0.09975

0.99938 0.9823999 1.0212890 0.9997741 0.9969040

Tabla 3 P3=14.7[psia]

T3=104°F

E

F

Balance de materia para un sistema de separación gas-


49/82

p p gaceite de tres etapas

Si F1=1 son los moles alimentados al tren de separación de tres etapas de tal

manera que para cada etapa se tiene:

Los moles de liquido recuperados en el tanque de almacenamiento, por molde alimentación al sistema:

El volumen de aceite en el tanque:acietedeMol60.25470478)865.0)(715.0)(412.0)(1(LLLFn 1 32111t

m

ii L F

Primera Etapa

V1 = Vs1 =0.588

L1= (1- 0.588)

=0.412

F2=

(1)(0.412)

=

0.41

2

ng1= (1)(0.412)

=0.588

Segunda Etapa

V2 = Vs2 = 0.285

L2= (1- 0.285) = 0.715

F3= (0.412)(0.715)

= 0.29445

ng2= (0.412)(0.285)

= 0.11754

Tercera Etapa

V3= Vs3 = 0.135

L3= (1- 0.135) = 0.865

F4=(0.29445)(0.865)

= 0.25470

ng3=

(0.29445)( 0.135)= 0.03974

][pie40.98178671)428.62)(8436.0(

)203(86)(0.2547047

)428.62(

][

][ 3

.@

3

cc

g

mol lb

lbm PM mol lbn

pieV

sct o

T t

ot

Balance de materia para un sistema de separación


50/82

Balance de materia para un sistema de separacióngas-aceite de tres etapas

Los volúmenes de gas separado por etapas:

RGA total

][pie223.0872)4.379)(0.588(VMngVG 3g11

][pie444.5960418)4.379)(0.1175436(VMngVG 3g22

][pie515.0817623)4.379)(40.03975161(VMngVG 3g33

][288.01062440.98178671

5)15.0817623444.5960418(223.0872RGA

Aceite3

3

Total ft

ft Gas

oT

321Total

V

VGVGVGRGA

][41617.17965][615.5][288.010624RGA3

Aceite3

Aceite3

3

Total

aceite

Gas

aceite

Gas

barril

ft

barril

ft

ft

ft

Si t d ió d t t


51/82

Sistema de separación de tres etapas

Vs1= 0.588 Vs2= 0.285 Vs3= 0.135

ng1= 0.588 ng2= 0.11754

ng3= 0.03974

F1=1.0 F2= 0.412 F3= 0.29445

F4= 0.25470

nT=

L1= 0.412 L2= 0.11754

L3= 0.865

DatosP1= 654.7 [psia] P2= 100 [psia] P3= 14.7 [psia]

T1= 140 °F T2= 135 °F T3= 104 °F

TANQUE

LIQUIDO

A B

C

D

E

F

G

0.254704

Se muestran todos los valores calculados para el sistema deseparación gas-aceite de tres etapas

.


52/82

Método de Arnold para


53/82

Separadores verticales

Este tipo de separadores requiere de un diámetro mínimo para permitir que lasgotas de líquido se separen del gas que presenta un movimiento vertical. Eltiempo de residencia del líquido requiere de una combinación del diámetro con laaltura del líquido. Puede elegirse cualquier diámetro mayor al mínimo requeridopara la capacidad de gas.

Capacidad de gas:

Di = diámetro interior de la vasija [pg].T = temperatura [ºR].qg = gasto de gas [MMPCD].Psep= presión [lb/pg2].Z=factor de desviación del gas.

sep

g

i P

q Z T k D 504

2

dimensionamiento de separadores



54/82


K es una constante que está en función de las propiedades del gas y del líquido

de la gota que será separada. K se define como:

Cd = Coeficiente de arrastreDm = Diámetro de la gota de líquido a separar [micras] ρg = Densidad del gas [lb/pie3]. ρL = Densidad del líquido [lb/pie3]

2

1

)( g L

g

m

d

d

C

k



55/82


Para una separación de gotas con tamaño de 100 micras, k puede ser

aproximada utilizando la siguiente figura:

T

P g



56/82


Capacidad de líquido:

h = altura del volumen de líquido (pulgadas)tr = tiempo de residencia deseado para el líquido (min)qL= gasto de líquido (BPD).

Longitud de tapa a tapa (Ls-s (pie)): o

La relación de esbeltez (Res (pg)) es una característica del Método de Arnoldpara dimensionar los separadores. Arnold recomienda la relación de esbeltez (3


57/82


Longitud detapa a tapa

Ls-s

Longitud

efectivaLeff



58/82


Tabla con diámetros supuesto D’s (pg) y tiempo de residencia supuesto tr’s (min).

tr [min] D [pg] h [pg] Ls-s

[pie] Res [pg]

3

24

30

36

42

48

224

30

36

42

124

30

36

42

212.0 i

Lr

D

qt h

12

76h

L s s D

L s s12

ResNota #2: Arnoldrecomienda quela relación deesbeltez sea3≤ Res ≤4

Nota # 1: Loscatálogos de losfabricantes deseparadoresrecomiendan lasiguienterelación de la

longitud de tapaa tapa 5 ≤ Ls-s ≤10

Nota #3: Losdiámetrosseleccionados

tendrán que sermayores aldiámetromínimocalculado.



59/82


][ pg d

][ pie L s s



60/82

Ejercicio # 1

Determinar las dimensiones de un separador vertical con una presión de

operación de 1000 lb/pg2

abs. A una temperatura de 60 °F, manejando unaproducción 2000 bls/día @ c.s.Qg = 10 MMp3/día @ c.s. ; γ g = 0.6; γ o = 40 ° API ; Z = 0.84

Cálculo de la constante K a partir de:

En la gráfica en tramos con el valor calculado interceptamos la curva de ladensidad relativa del aceite de 40 °API. Se obtiene un valor de K ≈ 0.30Capacidad de gas:

Diámetro mínimo requerido.

1.153846060

)1000)(6.0(

T

P g

sep

g

i P

q Z T k D 504

2

1000

)10()84.0()520()3.0(504

2

i D

(pg) 25.699i D

Capacidad de líquido


61/82

Capacidad de líquido

Suponemos Di y tr.

12.0

2 Lr i

qt h D

tr [min] D [pg] h [pg] Ls-s [pie] Res [pg]

3

24 86.81 13.57 6.78

30 55.56 10.96 4.39

36 38.58 9.55 3.18

42 28.34 8.70 2.48

48 21.70 8.14 2.04

2

24 57.87 11.16 5.58

30 37.04 9.42 3.77

36 25.72 8.48 2.83

42 18.90 7.91 2.26

1 24 28.94 8.74 4.37

30 18.52 7.88 3.15

36 12.86 7.41 2.47

212.0 i

Lr

D

qt h

12

76h

L s s D

L s s12

Res



62/82


Se grafica d (pg) vs. Ls-s (pie)

Método de Arnold (vertical)

20

25

30

35

40

45

50

5 7 9 11 13 15

Ls-s [pie]

D i [ p g ]

tr=3 [min] tr=2 [min] tr=1 [min]

Res=

3 Res=4

Diámetro de manejo degas Di= 25.699 (pg),mínimo permisible, norestringe el área de flujo.

Separador horizontal


63/82


Es necesario seleccionar un diámetro y la longitud de tapa a tapa de lavasija. Esta elección debe de satisfacer las condiciones para capacidad

de gas que permita que las gotas de líquido pasen del volumen de gas alvolumen de líquido mientras el gas atraviesa la longitud efectiva de lavasija. El diseño debe proporcionar el suficiente tiempo de retención parapermitir que el líquido alcance el equilibrio. Para una separación de gotasde líquido del tamaño de 100 micras en una vasija al 50% de capacidad

del líquido, se aplican las siguientes ecuaciones:

Capacidad de gas:

Di = diámetro interior de la vasija [pg].T = temperatura [ºR].qg = gasto de gas [MMPCD].P sep= presión [lb/pg2].Z = factor de desviación del gas.

sep

g

eff i P

q Z T k L D 42



64/82


Se suponen diámetros interiores de la vasija (pg), para realizar la

siguiente tabla:D [pg] Leff [pie] Ls-s [pie]

1620

24

30

36

42

i sep

g

eff D P

q Z T k L 42

12

D Leff L s s



65/82


Capacidad de líquido:

t r = tiempo de residencia deseado para el líquido (min).qL= gasto de líquido (BPD) Leff = Es la longitud efectiva de la vasija donde la separación se lleva acabo (pies). Para permitir la turbulencia en la entrada y la colocación de

la boquilla en la salida, la longitud efectiva puede aproximarse al valor de0.75 veces la longitud de tapa a tapa [Ls-s].

Para dimensionar los separadores horizontales se tiene la relación deesbeltez (Res (pg))

(3


66/82


Tabla con diámetros supuesto D’s (pg) y tiempo de residencia supuesto

tr’s (min).tr [min] D [pg] Leff [pie] Ls-s [pie] Res

3 24

30 36

42

2

24

30

36

1 20

24

28

eff s s L L3

4

D

L s s12

Res

7.0

2 Lr eff i

qt L D

2)7.0( i

Lr eff

D

qt L

Ejercicio # 2


67/82

Ejercicio # 2

Determinar las dimensiones de un separador vertical con una presión deoperación de 1000 lb/pg2 abs. A una temperatura de 60 °F, manejando unaproducción 2000 bls/día @ c.s.Qg = 10 MMp3/día @ c.s. ; γ g = 0.6; γo = 40 ° API ; Z = 0.84

Cálculo de la constante K a partir de:

En la gráfica en tramos con el valor calculado interceptamos la curva de ladensidad relativa del aceite de 40 °API. Se obtiene un valor de K ≈ 0.30

Capacidad de gas:

1.153846060

)1000)(6.0(

T

P g

sep

g

eff i P

q Z T k L D 42

1000

)10()84.0)(46060()3.0(42eff i L D

55.0368eff i L D



68/82

p

Se suponen diámetros interiores de la vasija (pg), para realizar la

siguiente tabla:

D [pg] Leff [pie] Ls-s [pie]

16 3.44 4.7720 2.75 4.42

24 2.29 4.29

28 1.97 4.30

30 1.83 4.33

36 1.53 4.53

42 1.31 4.81

12

D Leff L s s

i

eff D

L 55.0368

Dimensionamiento de separadores.


69/82

p

Tabla con diámetros supuesto D’s (pg) y tiempo de residencia supuesto tr’s (min)

tr [min] D [pg] Leff [pie] Ls-s [pie] Res

3

24 14.88 19.84 9.92

30 9.52 12.70 5.08

36 6.61 8.82 2.94

42 4.86 6.48 1.85

2 24 9.92 13.23 6.61

30 6.35 8.47 3.39

36 4.41 5.88 1.96

1 20 7.14 9.52 5.71

24 4.96 6.61 3.31

28 3.64 4.86 2.08

eff s s L L3

4

D

L s s12

Res2)7.0( i

Lr eff

D

qt L

7.0

2 Lr eff i

qt L D



70/82

p

)( pg d

][ pie L s s


71/82

Número de etapas de separación


72/82

72© 2015 Dirección de Desarrollo de Talento- IMP2. Separación de los f luidos producidos y estabilización del crudo..

T. Frick, publicó una tabla que puede ser

útil para formarse un criterio, respectoal número de etapas de separación, enuna central de recolección (batería)

El numero de etapas más económico se

encuentra entre un rango de 3 a 4etapas.

Etapas deseparación

% deaproximación

a unaseparacióndiferencial

2 0

3 75

4 90

5 96

6 98.5

p p

Método de Frick


73/82


El método de Frick consiste en la aplicación de una modelo empírico paraobtener las presiones intermedias de un tren de separación multietapas.

Para poder aplicar el método de Frick es necesario conocer la presión de laprimera etapa y de la última etapa.

Para ello Frick propone obtener una constante “R”, la cual relaciona las presiones

en cada etapa, de la siguiente manera:• Suponiendo un tren de separación de 4 etapas:

• Los datos son P1 y P4

32

43

4

3

3

2

2

1

RP P

RP P

R P

P

P

P

P

P

Método de Frick

Método Empírico de Frick.


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Método Empírico de Frick.

Sustituyendo P3 en P2

Y haciendo:

Se tiene:

Donde:

K n

P R P

P R P

n

n

1

PR RRPP

1

1

4

3

1

4

2

42

entoalmacenamidetanqueelenoetapaúltimalaenPresiónPn;

etapasegundalaenPresión;2P

etapa primeralaenPresión;lP

etapasde Número;

1

n

K

n P

P R

Ejemplo por el método de Frick


75/82

Se tiene un tren de separación de 4 etapas (considerando al tanque dealmacenamiento como una etapa). Considerar que la presión en la primera

etapa son 1000 psia y el tanque de almacenamiento se encuentra abierto a laatmósfera.

Solución:

De acuerdo a los datos:

P1= 1000 psia

Pn= 14.7 psia

Por lo tanto08.4

7.14

10003

1 K n

P

P R

psia RP P

psia RP P

R P

P

P

P

P

P

245)60*08.4(

60)7.14*08.4(

32

43

4

3

3

2

2

1


76/82

Método de Campbell


77/82


p

Este método nos ayuda a obtener la presión de separación de la segunda etapa de un

tren de separación de tres etapas para un gas y condensado. Para este método esnecesario conocer la composición de la mezcla y el valor de la presión en laprimera etapa.

El procedimiento consiste es el siguiente:1. Determinar la composición de la mezcla.2. Obtener el peso molecular de cada componente.3. Obtener el producto de la fracción mol por su peso molecular.4. Determinar el peso molecular aparente de la mezcla.5. Obtener la densidad relativa de la mezcla respecto al peso molecular aparente

del aire.6. Obtener el porcentaje de metano, etano y propano que tiene la mezcla, y con el

valor de la densidad relativa de la mezcla obtener el valor de la constante A con

la gráfica correspondiente.7. De acuerdo al valor de la densidad relativa de la mezcla utilizar las fórmulas

correspondientes para determinar la presión de la segunda etapa.

Ejemplo de Aplicación. Método de Campbell


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Determinar la presión óptima de separación enla segunda etapa en un sistema de 3 etapas, deacuerdo a los siguientes datos.

Presión de separación en la primera etapa P1 =800 psia

l ó


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Solución

Solución

1. Determinar la composición de la mezcla.

2. Obtener el peso molecular de cadacomponente.

3. Obtener el producto de la fracción mol por supeso molecular.

4. Determinar el peso molecular aparente de lamezcla.

l ó


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Solución

5. Obtener la densidad relativa de la mezcla, de acuerdoal valor del peso molecular aparente de la mezcla,respecto al peso molecular del aire:

6. De acuerdo a la composición de la mezcla obtenemos

el porcentaje de metano, etano y propano

C1+C2+C3= 0.4+0.1+0.15= 0.65 65 %

S l ió


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Solución

Con el valor de la suma C1, C2 y C3, y el valor dela densidad relativa de la mezcla obtenemos elvalor de la constante A= 0.45, con la siguiente

gráfica.

Solución


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Densidad relativa mayor >1 Densidad relativa < 1

0233.0

057.0

)(

1

1

686.0

12

AC

donde

C P A P

012.0

028.0

)(

2

2

765.0

12

AC

donde

C P A P

Como en este caso el valor de la densidad relativa es mayor a 1, utilizamos lasprimeras ecuaciones para obtener C1 y P2

7. Obtener la P2

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2.2 Métodos de Diseño de Separadores