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Dimensionamiento de tanque para el manejo de petroleo
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5. TANQUES
En general un tanque es un recipiente para almacenar fluidos; en el caso de una batería un
tanque se usa para almacenar crudo o mezcla de agua y crudo.
5.1. Clasificación
Se pueden clasificar de varias maneras:
De acuerdo a su uso.
Tanques de almacenamiento (Stok - Tanks) usados para almacenar crudo de calidad
aceptable en la refinería.
Tanques de techo flotante. Son tanques de acero usados para almacenar hidrocarburos
volátiles, los cuales es necesario mantenerlos a presión constante, en este caso el techo
del tanque se mantiene sobre el nivel de fluido y subirá con éste a medida que vaya
entrando fluido al tanque.
Tanques con cojín de refrigeración. Cuando el hidrocarburo que se va almacenar es
volátil y además en la zona se presentan variaciones bruscas en temperatura, en este
caso, además de usar un tanque de techo flotante en el mismo techo se lleva un depósito
de fluido refrigerante el cual se encargará de mantener frío el fluido almacenado.
Tanques de prueba (Test Tank) aquellos en los cuales se recibe la producción del pozo
que está en prueba.
Tanques de lavado (Wash - Tanks) aquellos en los cuales se recibe mezcla de agua y
aceite para dejarla allí en reposo y permitir la separación de las fases. Pueden ser:
Fwko (Free Water Knock Out) cuando las fases de la mezcla no han estado ni están
emulsionadas. Se separan por gravedad.
Gun Barrels, más conocidos como tanques de lavado, a ellos van la mezcla cuyas fases
han estado emulsionadas y han sido sometidas a algún tipo de tratamiento para
separarlas, ene estos tanques se busca dejar la mezcla en reposo para obtener la
separación final de las fases; algunas veces los tanques tienen dispositivos internos para
ayudar a romper la emulsión.
Tanques de paja. Son tanques que en su interior poseen mecanismos de filtración para
ayudar a romper emulsiones por fricción o por adsorción. El mecanismo de filtración
puede ser filtros de madera (aserrín o viruta) o bafles ranurados. Generalmente se usan
para promocionar mecanismos finales de separación a una emulsión que ha recibido
2
tratamiento térmico y/o químico. Algunas veces los tanques "Fwko" pueden tener
sección de filtración.
5.2. Tanques de lavado
Como ya se dijo, en estos tanques se hace la separación de agua y aceite. Cuando el agua
está libre el tanque se conoce más bien como "Free Water Knock Out" y en él el agua se
separa por gravedad. Algunas veces ocurre que la mezcla producida por el pozo se lleva al
"Fwko" antes de pasar por el separador; del "Fwko" el gas y el aceite se llevan luego a
separador y el agua a las instalaciones de tratamiento para el agua; un esquema de un
"Fwko" usando en este caso se muestra en la Figura 37a. Como el tiempo de separación es
bastante corto, unos cinco minutos, la capacidad del recipiente es bastante grande. El caso
general es que la mezcla líquida pase al "Fwko" luego de salir del separador y en este caso
el "Fwko" es un tanque donde simplemente se lleva la mezcla y se les permite separación
de las fases por gravedad; en algunos casos puede ocurrir que a una determinado altura del
fondo del tanque haya un filtro sobre el cual es descargado el fluido, y el agua al tratar de
irse hacia abajo dejará en el filtro las gotas de aceite que traten de irse con ella; éste es el
caso que se ilustra en la figura 37b.
En el "Fwko" de la figura 37a el líquido entra por la tubería ranurada (1), el agua se va
acumulando en la parte inferior derecha y sale por (3) a través de una válvula controlada
por el nivel de agua. El petróleo y el gas salen por la tubería ranurada (2). Este tipo de
"Fwko" se podría usar para separar el agua libre antes de que el petróleo y el gas pasen al
separador.
El "Fwko" de la figura 37b, se usaría en caso de recibir la mezcla líquida proveniente del
separador; el filtro se usa en este caso para ayudar a atrapar las gotas de aceite que traten de
irse con el agua a través del filtro. Este filtro puede ser de madera (aserrín o viruta).
Existe una versión de FWKO conocida como "Flow Splitting Fwko", que además de retirar
el agua libre distribuye el flujo de la emulsión hacia varios recipientes (tratadores, por
ejemplo), la cual es muy utilizada cuando la cantidad de emulsión a tratar no se puede
manejar en un solo tratador. Este tipo de FWKO tiene en su interior una serie de
compartimientos a los cuales entra la emulsión y cada uno está provisto de una salida que
permite enviar la emulsión a un sitio determinado independiente de los demás. Son
recipientes de una gran capacidad y los compartimientos pueden ocupar de un 20 a un 30%
de la longitud total del recipiente dependiendo del número. Cada compartimiento requiere
un control de nivel de líquido, una válvula de descarga y un indicador de nivel. Cada
compartimiento se puede ajustar mientras la unidad está en operación y es posible variar la
cantidad de producción de cada uno de ellos ajustando su rebozadero.
La principal aplicación de los "Flow Splitters" es en campos donde el manejo de
producción está centralizada en una sola batería y en plataformas de producción costafuera.
3
Figura 37. Tipos de Fwko
En la figura 38 se muestran dos tanques de lavado usados para ayudar a separar el agua y el
aceite que han estado emulsionados y han sido sometidos a tratamiento térmico y/o químico
para conseguir la separación. El de la figura 38a se conoce como "Gun-barrel" y en él la
mezcla es descargada por debajo del nivel del agua así que el colchón de agua actúa como
un colchón de lavado y el petróleo al tratar de irse hace arriba va siendo lavado por el agua
y deja las gotas de agua que traten de irse con él. El tanque de la figura 38b es un caso de
un tanque de "paja", en donde los bafles con orificios hacen las veces de filtros y en este
caso la mezcla de agua y aceite es forzada a través del filtro lo cual implica fricción y esto
ayudará a que se rompa la emulsión.
En los tanques de la figura 38 la salida de agua es controlada por un sistema de sifón, el
cual asegura que el agua salga cuando el nivel de agua dentro del tanque esté a una
4
determinada altura. La altura del nivel de agua depende del tiempo que se requiera dejar el
agua en reposo para que las gotas de aceite se puedan escapar hacia arriba y también del
tiempo que se requiera dejar en reposo el aceite para que las gotas de agua puedan
descender. Estos tiempos de retención se podrían determinar si se conoce la velocidad de
caída de las partículas a través del fluido, la cual depende del tamaño de las partículas y de
la diferencia en densidades de la gota y del fluido en el que se encuentra suspendida (ver
ecuación (6)).
Figura 38. Tipos de tanques de lavado. a) Gun Barrel. b) Tanque de paja.
5
En el tanque de la figura 38a, "Gun Barrel", no hay posibilidad de modificar tro o trw pues
hw y ho no se pueden modificar, en cambio en el tanque de la figura 38b, hw si se puede
modificar pues el sifón desemboca en un tanque en ese extremo se puede modificar la
altura del sifón aumentando o disminuyendo h'w (ver figura 38b) lo cual implica modificar
hw; la altura del sifón se puede modificar porque el extremo superior posee una serie de
anillos que se pueden quitar o colocar (sección a trazos del sifón) y de esa manera aumentar
o disminuir h'w si el petróleo no tiene tiempo suficiente de retención para que las gotas de
agua se asientan y en cambio el agua está saliendo bastante limpia, entonces se pueden
quitar anillos y disminuir h'w (y por tanto hw) y si el caso es el contrario se puede aumentar
trw aumentando hw lo cual se consigue agregando anillos y por tanto aumentando hw.
Tanque Electrostático de Lavado. A-. Sección Longitudinal. B-. Vista en Planta
6
5.3. Dimensionamiento de Gun Barrels Y FWKO
Al hacer el dimensionamiento de tanques se debe tener en cuenta si éste es un tanque de
tratamiento (del tipo Gun Barrel) o si es un tanque del tipo FWKO. En el primer caso el
aspecto importante es que el petróleo salga con el contenido de agua permisible en el
oleoducto, pues generalmente de este tanque el crudo sale para el tanque de
almacenamiento. En el segundo caso el aspecto importante es que el agua salga con la
mínima cantidad de crudo.
Lo anterior indica que para diseñar un tanque de tratamiento la velocidad terminal
importante es la de la partícula de agua y en un tanque del tipo FWKO la velocidad
terminal importante es la de la partícula de aceite las cuales se pueden calcular aplicando la
ecuación de Stokes (ecuación (3.6)).
Para hacer dimensionamiento tanto de "Gun Barrel" como de FWKO, se debe tener en
cuenta el proceso de retención y el de asentamiento y, lógicamente, que para el "Gun
Barrel" se usa la velocidad de asentamiento de la partícula de agua y para el FWKO la
velocidad de ascenso de la partícula de aceite.
Los tanques "Gun Barrel" son verticales, por tanto éstos y para los FWKO verticales, que
son raros, se usa en el dimensionamiento las ecuaciones (4.13) y (4.14) con las cuales se
pueden determinar el tamaño del recipiente (diámetro) y la altura del colchón de aceite en
el "Gun Barrel", o de agua en el FWKO para un tiempo de retención dado. El tiempo de
retención el FWKO es de unos cinco minutos y en el "Gun Barrel" depende de la calidad
deseada en el petróleo que sale de él.
Para dismensionar el FWKO horizontal se podrán utilizar las ecuaciones (4.9) y (4.10) pero
teniendo en cuenta que en la ecuación (4.9) se usan qL y μW, y en la ecuación (4.10) trL y qL
y que el valor para trL es de unos cinco minutos. qL y trL son la tasa de producción del
líquido y el tiempo de retención del líquido en BPD y minutos respectivamente.
Huffman(6)
presenta un procedimiento gráfico que también permite llegar a una
aproximación de los tamaños requeridos de "Gun Barrel" y "FWKO". En cuanto al "Gun
Barrel" es posible estimar el tamaño aproximado requerido usando la figura 39, la cual se
basa en lo siguiente: la mayoría de las emulsiones flojas ocurren con crudos de 30 a 45°
API, la mayoría de las emulsiones moderadas ocurren con crudos cuya gravedad API varía
entre 10 y 30° API. Usando la figura 39 y la tasa de producción esperada de petróleo en
barriles por día, se puede estimar el tamaño del tanque. Para diseñar un FWKO se debe
recordar que la finalidad es separar en este recipiente el agua libre, la cual por definición, el
agua que se alcanza a separar en 5 minutos. Para determinar el tamaño (diámetro) se debe
conocer la velocidad terminal de las partículas de petróleo en la fase agua y la tasa de
producción total. Las figuras 40 y 41 permiten seleccionar el tamaño del FWKO
conociendo la cantidad total de fluido a manejar, la diferencia en gravedades específicas del
petróleo y el agua y si el recipiente es vertical u horizontal.
7
Figura 39. Carta para determinar el tamaño requerido de un tanque de lavado
(6).
Figura 40. Carta para determinar el tamaño de un FWKO Horizontal
(6)
8
Figura 41. Carta para determinar el tamaño de un FWKO Horizontal
(6)
Ejemplo 5.1.
Se requiere construir un tanque de lavado para manejar, con adición de químico, una
emulsión y se ha decidido que el diámetro del tanque sea de 6.098 m., y que la salida del
aceite esté 0.76 m por debajo del borde superior del tanque. Se sabe que el tamaño de las
partículas de agua y aceite es de 100 y 150 micras respectivamente, que los tiempos de
retención son de 60 y 15 minutos para el agua y el petróleo respectivamente, que la
gravedad específica del agua es de 1.03 y la del petróleo de 20°API y las viscosidades 10 y
2 cP. Para el petróleo y el agua respectivamente.
Determinara la altura del tanque
Las capacidades al agua y al aceite del tanque
Si la salida del agua se va a controlar por el sistema de sifón, encontrar la altura que
debe tener este.
Solución
Las capacidades al agua y al petróleo del tanque se pueden calcular con la ecuación de
asentamiento para recipientes verticales, ecuación (4.13)
9
1
2
2
P
qd 643,9
d
La cual se puede usar tanto para el petróleo como para el agua.
La capacidad del petróleo será:
2 2
p
o 2
o
d dq
643,9
La gravedad específica del petróleo es
o
141,5 131,50,934
API 131,5 20 131,5
Utilizando los datos del problema la capacidad al petróleo del tanque es:
2 2
o 2
6,098 3,28 12 100 62,4 1,03 0,934q 832,4BPD
643,9 10
De igual manera la capacidad para el agua será
2 2
w 2
6,098 3,28 12 150 62,4 1,03 0,934q 9.364,5BPD
643,9 2
La altura de las zonas de agua y petróleo se obtiene con la ecuación de retención: 2
rd h 8,58t q
Teniendo en cuenta los datos del problema, la altura para la zona de aceite es
ro o
o 2
8,58 t q 8,58 60 832,4h 7,5pu lgs.
d 6,098 3,28 12
Y la altura para la zona de agua es:
rw w
w 2
8,58 t q 8,58 15 9.364,5h 83,7pu lgs.
d 6,098 3,28 12
Suponiendo que la salida del agua del tanque esté por encima del fondo a una distancia
igual a la que se encuentra la del petróleo por debajo del tope, la altura del tanque será
Th 0,76 2 3,28 12 83,7 7,5 151,0pu lgs. 13pies
Suponiendo que el tanque trabaja a 5 Lpcm, la altura del sifón para controlar la salida de
agua es:
10
o o w ws
w
5 0,433 7,5 0,934 83,7 1,03 /125 h 0,433 h 0,433h 18,75pies
0,433 0,433 1,03
5.4. Tanques de almacenamiento (Stock - Tanks)
En los tanques de almacenamiento se almacena el petróleo ya en condiciones para ser
enviado a la refinería. El contenido de agua y contaminantes debe estar por debajo de los
límites permisibles en la refinería.
El petróleo que llega a los tanques de almacenamiento procede de los tanques de lavado
"FWKO" o "Gun Barrel", de separadores cuando éstos son trifásicos, de pozos limpios y
sin gas, etc.
Del tanque de almacenamiento sale generalmente el crudo hacia el oleoducto.
En general estos tanques son de forma cilíndrica, base plana y techo cóncavo. La salida del
tanque es por su parte inferior la cual comunica generalmente con las bombas del
oleoducto; la entrada al tanque puede ser por su parte superior o por su parte inferior. Las
válvulas a la entrada y la salida son generalmente válvulas de compuerta. Además, el
tanque tiene en su parte inferior una válvula para drenaje de agua la cual debe ser una
válvula que permita abrirla o cerrarla parcialmente; esta válvula permite drenar el agua que
posiblemente haya podido separarse en dicho tanque.
El gas que se separa en el tanque sale por su parte superior y puede ser que se escape a la
atmósfera o salga a una línea que comunica con varios tanques, recolecta el gas que se
pueda escapar y luego lo descarga en un sito determinado retirado de la batería en donde es
quemado el gas, esta línea se conoce como de venteo; éste es el caso más común cuando
son tanques para almacenamiento de crudo tipo “Black Oil”. Cuando el tanque es para
almacenar crudos livianos o derivados del petróleo los tanques generalmente están a
presión y poseen dispositivos para evitar que el líquido almacenado establezca contacto con
el aire o que el tanque pueda fallar por colapso cuando se drena o por "bursting" cuando se
está llenando, este objetivo se consigue con las unidades recuperadoras de vapor (VRU por
sus iniciales en inglés).
La figura 42 es un esquema del funcionamiento de una unidad recuperadora de vapor, la
cual tiene tres funciones:
Evitar el contacto del aire con el fluido almacenado
Recuperar los vapores que se liberen en el tanque
Evitar que el tanque falle por colapso durante la descarga o por “bursting” durante el
llenado.
Los componentes de la unidad recuperadora de vapor, ver figura 42, son:
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Una línea de comunicación del tanque con un suministro de gas sobre la cual hay una
válvula que se activa por baja presión y comunica el tanque con la fuente de gas.
Un compresor cuya línea de succión está conectada al tanque. La succión de este
compresor se activa cuando la presión en el tanque alcanza un cierto valor
preestablecido.
La parte izquierda de la figura 42 esquematiza el proceso de vaciado, durante el cual la
presión interna en el tanque va disminuyendo y se va presentando una situación similar a
una succión lo cual puede ocasionar que el tanque se colapse; para evitar esto cuando la
presión baja a un cierto valor preestablecido la válvula sobre la línea de conexión con la
fuente de gas se abre y mantiene la presión del tanque. La parte derecha de la figura 42
muestra el proceso de llenado: en este caso al entrar fluido al tanque la presión interna
aumenta y si el tanque no tiene forma de aliviar su presión puede fallar por “bursting”; para
prevenir esto la VRU tiene el compresor cuya succión se activa al alcanzar la presión
interna del tanque un valor preestablecido y de esta forma el gas del tanque es succionado
por el compresor, manteniendo la presión dentro del tanque constante.
Los tanques, además de sus entradas y salidas poseen de otros dispositivos o accesorios que
permiten chequear su estado, funcionamiento, etc. Tales accesorios pueden ser indicadores
de nivel, facilidades para toma de muestras orificios que permitan hacerle mantenimiento
(hand-holes) etc.
Figura 42. Esquema del Funcionamiento de un Unidad Recuperadora de Vapor (VRU)
12
5.5. Operaciones de rutina en tanques
Las operaciones que normalmente se realizan en tanques varían dependiendo si es tanque
de almacenamiento o lavado; en estos últimos las más comunes son:
Chequeo de interfases y de nivel de líquido. Esto se hace generalmente a través de los
visores.
Chequeo de la calidad de la separación. Es importante chequear que el agua y el
petróleo estén saliendo lo más puros posible y para ello se toman muestras en puntos
determinados del tanque usando válvulas laterales que permiten tomar muestras a
diferentes alturas del tanque, estas muestras se llevan al laboratorio y se determina por
el método de centrifugación su contenido de agua y sedimentos. También se puede
chequear la calidad de la separación abriendo la válvula de drenaje para el agua y
observando el aspecto de ésta.
Controlar el drenaje de agua. Dependiendo del aspecto que presenta el agua que está
saliendo del tanque el tiempo de retención del agua se puede modificar
Toma de muestras. Una de las finalidades de tomar muestras es chequear la calidad de
la separación. Las muestras se pueden tomar usando válvulas laterales en el tanque o
bajando un "toma muestra" (ladrón) desde el techo del tanque a través del orificio para
este fin.
Cuando el tanque es de almacenamiento las operaciones más comunes son:
Ponerlo a recibir o cerrar recepción. La recepción de un tanque puede estar en su parte
inferior o superior; pero cuando recibe de una bomba la recepción está en la parte
inferior con el fin de que el colchón de líquido que se va formando amortigue las
vibraciones que induce la bomba a través de la línea de descarga..
Determinación de nivel. Algunas veces el tanque posee dispositivos que permiten
determinar la altura del nivel de líquido de una manera inmediata pero otras veces,
sobre todo cuando son tanques viejos, no; en estos casos por un orificio en el techo del
tanque se baja una cinta metálica en cuyo extremo hay una plomada; cuando la plomada
llegue al fondo del tanque, lo cual se detecta en superficie por la disminución en la
tensión de la cinta, se retira la cinta la cual muestra hasta qué altura estaba al aceite.
Calculo de volúmenes. Conociendo la altura del nivel de fluido se puede, usando tablas
de aforo para el tanque, determinar el volumen de fluido contenido en el tanque.
Drenaje del agua que haya podido separarse.
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Referencias Bibliográficas
1. Powers, M.L., “A Modern Gun Barrel of Unique Design”, paper SPE 028538 (SPEPF
02/96, Pag. 54).