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equipos que integran a los separadores
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DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Dimensionamiento de Separadores Bifásicos
Horizontales
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
donde:Vt : Velocidad terminal, ft/segρl : densidad del liquido (Lb/ft3)ρg : densidad del gas (Lb/ft3)dm: diámetro de la gota, micronesCD: Coeficiente de arrastre partícula, adimensional
Capacidad de Gas. Diámetro del recipiente
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
donde:CD: Coeficiente de arrastre, adimensionalRe: Numero de Reynolds.dm: diámetro de la gota, micronesrg : densidad del gas, lb/ft3Vt : velocidad terminal, ft/segµg : viscosidad del gas, cP
34032450 .
ReReC .D ++=
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
Capacidad de Gas. Diámetro del recipiente
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
vg
QA ≈
Q Z x T x Ps=Zs x Ts x P
x Qs donde: Q = Flujo de Gas @ P,T (ft3/seg)Qs = Flujo de Gas a condiciones estándar. (ft3/seg)Z = Factor de Compresibilidad @ P,TT = Temperatura de Operación (ºR)P = Presión de Operación (psia)Zs = Factor de Compresibilidad estándar (=1)Ts = Temperatura estándar(ºR)Ps = Presión estándar (psia)ρg = Densidad del gaswg = Flujo másico de gas (lbs/seg)A = Área transversal (ft2)Vg = Velocidad del gas (ft/seg)
wgQρg
≈
Capacidad de Gas. Diámetro del recipiente
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
50
420.
m
D
gl
ggeff d
CQPZTdL ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ρρρ
donde:d : Diámetro interno del separador, pulg.Leff : Longitud efectiva del separador, pies.Qg : Flujo de gas, MMPCED.Z : Factor de compresibilidad a P y T, adimensional.T : Temperatura de operación, ºRP : Presión de operación, psia.ρg : Densidad del gas, Lb/ft3ρl : Densidad del liquido, Lb/ft3CD : Coeficiente de arrastre, adimensional.dm : Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.
Capacidad de Gas. Diámetro del recipiente
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
donde:d : Diámetro interno del separador, pulg.Leff : Longitud efectiva del separador, pies.Qw : Flujo de agua, BPD.trw : Tiempo de retención del agua, min. Qo : Flujo de crudo, BPD.tro : Tiempo de retención del crudo, min.
702
.l
effQtrLd =
Cálculo de tiempo de retención de líquido
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Agas
Alíquid
50%
50%
Area del recipiente: A= 2Agas
πAdi
•≈
4
La longitud es calculada con un valor supuesto de L/d
Consideraciones de diseño para el área
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Agas
Aliquido
50%
50%
LAV ll ⋅≈Volumen de Líquido “Hold-up” Vl = volumen de líquido (ft3)
Al = Área de liquido (ft2)
L = Longitud (ft)
trl = Tiempo “Hold-up”(min)
Ql = Caudal de líquido (ft3/min)
Tiempo “Hold-up”
l
lrl Q
Vt⋅
≈60
Verificación de diámetro de la zona de líquido
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para capacidad de gas
Para capacidad de liquido
12d
effLssL +=
effss LL34
=
Relación de esbeltez ( )43
12 yentredLss =
donde:Lss : longitud costura-costura recipiente, pie.Leff : longitud efectiva recipiente, pie.d : diámetro del recipiente, pulg.
Longitud de costura a costura y Relación de esbeltez
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
Es necesario ajustar L para establecer la relación de esbeltez L/D entre 2.5 y 6. SI esto no es posible, habrá que ajustar d y repetir el proceso considerando el efecto de K
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
ºAPI Tr (min)> 40 1.5
25 < ºAPI < 40 3< 25 5
Tiempos de retención típicos según la clasificación del crudo:
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tamaño de Boquillas
Separador BifásicoSeparador Horizontal: Dimensionamiento
Para la estimación del tamaño de boquilla se utilizaran las siguientes ecuaciones:
miv ρ30 < ggv ρ60 < smvl 1 <
donde:
vi = velocidad de entrada de la boquilla, m/s
vg = velocidad de gas de salida de la boquilla, m/s
vl = velocidad de liquido de salida de la boquilla, m/s
ρm = densidad de mezcla de entrada, kg/m3.
ρg = densidad del gas, kg/m3.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento de Separadores Bifásicos
Horizontales
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
1. Calcular el valor dxLeff que satisfaga la capacidad de gas a través de la siguiente ecuación:
50
420.
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=m
D
gl
ggeff d
CQP
ZTdLρρ
ρ
Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones.
Para el calculo del coeficiente de arrastre CD, se utiliza la formula:
34032450 .
ReReC .D ++= (1)
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para calcular el numero de Reynolds de la gota se utiliza la formula:
Y para calcular la Velocidad Terminal Vt se usa la formula:
Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error (iteración).
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
(2)
(3)
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento:
a. Asuma un valor de CD.
b. Calcular Vt de la formula (3).
c. Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2).
d. Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
2. Ya obtenido CD y el correspondiente valor de la expresión dxLeff, se elabora una tabla para diferentes valores de “d” y “Leff”. Adicionalmente, se calculan y tabulan diferentes longitudes costura a costura Lss, con la siguiente formula:
d (pulg.) Leff (pie) Lss (pie)
12dLL effss +=
Para Capacidad de Gas
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
3. Para uno o varios tiempos de retención requeridos (de acuerdo al tipo de crudo y los procesos involucrados), calcular el valor de d2xLeff y efectuar combinaciones de valores de “d” y “Leff”. Se calcula la longitud costura-costura (Lss) y relación de esbeltez (Lss/d) para esas combinaciones, a través de las siguientes ecuaciones:
702
.l
effQtrLd =
tr (min) d (pulg.) Leff (pie) Lss (pie)* (12)Lss/d
effss LL34
=
( )dLss12
=Esbeltez de laciónRePara Capacidad de Líquido
*: Lss tabulado corresponde al mayor valor calculado entre las capacidades de gas y líquido
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
6. Para una mejor visualización del diseño, se pueden graficar los valores de “d” y “Leff” para el gas y para el tiempo de retención de líquido, asi como las líneas de relaciones de esbeltez optimas (3 y 4). Allí se podrá verificar más fácilmente los rangos donde se encuentra la mejor combinación de valores de “d” y “Leff” que cumplan con los requerimientos de proceso presentes.
7. Se selecciona un “d” y un “Lss” que satisfaga la capacidad de gas, el tiempo de retención requerido y la relación de esbeltez óptima (entre 3 y 4).
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalSeparadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Diseñar separadores verticales y horizontales, para un fluido con 2000 BPD de líquidos y 10 MMPCED de gas, a una presión de 1000 psia y una temperatura de 60 oF. Z=0.84.
Ejercicio
Separadores Bifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Los separadores trifásicos son los comúnmente utilizados para separar tres fases: Aceite, Agua y Gas. Se pueden clasificar de acuerdo a la geometría en verticales y horizontales. Su selección dependerá de los requerimiento y especificaciones de los productos, así como las condiciones o estimación de producción durante la vida útil del campo.
Generalidades
Separadores Trifásicos
Entre los más conocidos figuran:•Separador de agua libre.•Separador de producción.•Tratador de aceite.•Tratador de agua.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
El agua en una corriente de la producción del petróleo crudo puede tomar varias formas como se muestra en la figura:
h
h oh e
h w
Agua
Emulsion
Petróleo
Tiempo
h w/h
% agua
Generalidades
La capa de agua va creciendo con el tiempo.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Generalidades
La producción de agua viene con el crudo generalmente en dos formas (libre y emulsionada). La capa de agua libre aparece en el fondo de los recipientes y crece con el tiempo como es demostrado en la curva. Después de cierto periodo, dependiendo del caso (entre 3 y 30 minutos) el cambio del nivel de agua es despreciable.
La fracción de agua decantada por gravedad es llamada agua libre. Lo mas recomendado es separar el agua antes que se convierta un problema y pase hacer una fase emulsionada.
Un buen diseño de un separador permitirá la separación de los fluidos provenientes del pozo: gas y dos tipos de líquidos: aceite y agua.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Generalidades
Los separadores de tres fases, tienen las mismas cuatro zonas de separación que los dos fases, el fluido entra por los deflectores o distribuidores produciendo la separación gas liquido por el cambio brusco de las velocidades.
Aquí viene un pequeña diferencia con los separadores de dos fases, que el diseño de los deflectores contiene un distribuidor que dirige el flujo de liquido debajo de la interfase crudo/agua. La razón de esto es promover la coalescencia de gotas de agua en el crudo, por el proceso llamado lavado de agua.
La segunda zona que es la zona de decantamiento por acción de lagravedad, aquí ocurre las separación de las tres fases, con la diferencia que algunos aceites contienen emulsiones en la fase oleica.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Generalidades
La tercera zona es la de coalescencia de gotas de liquido, para la cual se utiliza el eliminador o extractor de neblina.
La cuarta zona es la recolección de liquido, es donde existe la gran diferencia, el separador debe proporcional suficiente tiempo para que exista la separación de la fase liquida y que se forme una capa emulsionada en el tope.
A diferencia de los separadores de dos fases, los trifásicos contienen dos elementos importantes llamados cesto o balde y los vertederos. Los cuales vamos a discutir mas adelante.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Gravity Settling Section
+ Emulsion
Separador Horizontal
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
•La función de los cestos y vertederos (rebosadero) es eliminar la necesidad de colocar controladores de interfase liquidas. Esto es cuando hay un sobre llenado o un sobre flujo, los líquidos fluyen sobre los vertederos o rebosaderos, donde el control de nivel es un simple flotador.
Separador Horizontal
Vertederos, Cestos y Tubo ascendente
•La altura de los rebosadero o vertederos controla el nivel de liquido en los separadores. La diferencia de altura de los rebosaderos o vertederos de del crudo y agua controla el paso del crudo por la diferencia de densidades.
•Es bastante critico para la operación del separador que la altura del rebosadero del agua este lo suficientemente por debajo del crudo, de tal manera que la columna de crudo genere suficiente tiempo de retención
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Bucket and weir design
Fixed Weir Spillover Weir
Bucket & Weir
Bucket and Riser
Separador HorizontalVertederos, Cestos y Tubo ascendente
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
ΔΔh = h’o [ 1 – (ρo/ ρ w)]
Where: Δh = Distancia abajo vertedero de aceite, pulg.
ho = Altura colchón aceite, pulg.
ρ o, ρ w = Densidades aceite/agua, lbm/ft3
Diseño de vertedero y cesta
Calculo de la altura
Vertedero Aceite
Agua
AceiteVertedero Agua
h oh w h’
w
ΔΔh = ho + hw - h’w
Separador Horizontal
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Ejercicio
Demostrar que Demostrar que ΔΔh = h’o [ 1 – (ρo/ ρ w)]
Siendo h’o = ho - hw
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
WaterEmulsion
m1g (gas)
Oil
P atm
Po
hohw
he
m1l (oil+ water)wcl
m2g
p1g
m1w
m2w Only waterto flush drum
To flare system
Oil to 2nd Stage
m3gp2g
PC
xvg
LC
LCxvwm3l
m2l, wc2
Pw
Separador Horizontal de Agua LibreSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Ventajas:Reduce la velocidad del gas, mejorando la separación gas-liquido.Incrementa la capacidad de manejo de gas, sin incrementar el diámetro del separador. Recomendado para alta GOR.
Gas Outlet
Gas Outlet
Fluid Inlet (Multiphase)
Water Outlet
Oil Outlet
Oil Outlet
Water Outlet
Separador Horizontal de Agua Libre (Flujo Dividido)Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Fluid Inlet (Multiphase)
Gas OutletMist ExtractorInlet
Diverter Fire Tubes
Water Outlet
Coalescence Plates
OilOutlet
Corrugated PlatesSand Removal
System
Separador Horizontal Térmico-MecánicoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Fluid Inlet (Multiphase) Gas Outlet Oil Outlet
Free water Outlet
Water Outlet(Electrostatic)
Separador Horizontal Tratador ElectroestáticoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Ventajas:Menor tamaño del equipo. Incrementa la eficiencia y la capacidad de un equipo existente.Reduce significamente el uso de químicos y anti espumantes.Fácil de instalar en equipos operando.
Fluid Inlet
OilOutlet
Water Outlet
Gas Outlet
Vortex Tube at the inlet
Separador Horizontal con Tubos VortexSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Spreader
Downcomer
Water Out
Oil
Inlet
Inlet Diverter
Pressure Control Valve
Gas OutMist Extractor
Chimney
Oil Out
Level Control Valves
Water
Separador VerticalSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Water Out
LC
Oil Out
LC
Water
Oil
Water Out
LC
Oil Out
LC
WATER
OIL
OIL
Oil Weir
Interface level control Interface level control with oil chamber
Esquema de control de nivel de liquido
Separador VerticalSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Oil Out
LC
Water
Oil
Water out
LC
Water
Adjustable height
Gas equalizing line
Water leg with or without oil chamber
Separador Vertical
Esquema de control de nivel de liquido
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Desgasificador
Separador Vertical
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separador Vertical Gas – Lodo - Liquido
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separador Horizontal: Dimensionamiento
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Cálculo de capacidad de Gas
Separador Horizontal: Dimensionamiento
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
donde:Vt = Velocidad terminal, ft/segρl = densidad del liquido (Lb/ft3)ρg = densidad del gas (Lb/ft3)dm: diámetro de la gota, micronesCD: Coeficiente de arrastre partícula, adimensional
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
donde:CD: Coeficiente de arrastre, adimensionalRe: Numero de Reynolds.dm: diámetro de la gota, micronesρg: densidad del gas, lb/ft3Vt: velocidad terminal, ft/segµg: viscosidad del gas, cP
34032450 .
ReReC .D ++=
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
Cálculo de capacidad de Gas
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
50
420.
m
D
gl
ggeff d
CQPZTdL ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ρρρ
donde:d: Diámetro interno del separador, pulg.Leff : Longitud efectiva del separador, pies.Qg : Flujo de gas, MMPCED.Z: Factor de compresibilidad a P y T, adimensional.T: Temperatura de operación, ºRP: Presión de operación, psia.ρg:: Densidad del gas, Lb/ft3
ρl: Densidad del liquido, Lb/ft3
CD: Coeficiente de arrastre, adimensional.dm: Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.
Cálculo de capacidad de Gas
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Capacidad para Sedimentación
o
moo
SGdtr.hμ
2
001280 Δ=
donde:ho: Altura del colchón de aceite, pulg.tro: tiempo de retención del aceite, min∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite.dm: diámetro de la gota, micronesµo: Viscosidad del aceite, cP.
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Capacidad para Sedimentación
( )o
omaxo
SGtrhμΔ
= 320
donde:(ho)max: Altura máxima del colchón de aceite, pulg.tro: tiempo de retención del aceite, min∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite.µo: Viscosidad del aceite, cP.
Teóricamente, para un dm = 500 micrones, se obtiene el mayor espesor del colchón de aceite. La formula se transforma en:
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Aw: Área ocupada por fase de agua, Ft2.A: Área total del separador, Ft2.
Área ocupada por la fase de agua
wwoo
www
trQtrQtrQ.
AA
+= 50
Diámetro interno máximo recipiente
( )β
maxomax
hd =
dmax: diámetro interno recipiente, pulg.ho: Altura del colchón de aceite, pulg.β: Coeficiente “β" para un cilindro lleno a la mitad con liquido.
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Cálculo tiempo de Retención
( )oowweff trQtrQ.Ld += 4212
donde:d: Diámetro interno del separador, pulg.Leff: Longitud efectiva del separador, pies.Qw: Flujo de agua, BPD.trw: Tiempo de retención del agua, min. Qo: Flujo de aceite, BPD.tro: Tiempo de retención del aceite, min.
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
•Para capacidad de gas
Longitud de costura a costura y Radio de Esbeltez
•Para capacidad de liquido
12dLL effss +=
effss LL34
=
•Radio de esbeltez( ) 4312 yentre
dL ss =
donde:Lss: longitud costura-costura recipiente, pie.Leff: longitud efectiva recipiente, pie.d: diámetro del recipiente, pulg.
Separador Horizontal: DimensionamientoSeparadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
1. Calcular dLeff para la capacidad de gas:50
420.
m
D
gl
ggeff d
CQPZTdL ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ρρρ
Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones.
Para el calculo de CD, utilizar la formula:
34032450 .
ReReC .D ++= (1)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal• Para calcular el numero de Reynolds se utiliza la formula:
• Y para calcular la Vt utilizar la formula:
• Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error.
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
(2)
(3)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador HorizontalPara calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento:
a. Asuma un valor de CD.
b. Calcular Vt de la formula (3).
c. Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2).
d. Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal2. Ya obtenido CD, calcular dLeff. Elaborar una tabla para diferentes
valores de d y Leff. Adicionalmente, calcular diferentes longitudes costura a costura Lss, con la siguiente formula:
12dLL effss += d (pulg.) Leff (pie) Lss (pie)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
3. Calcular la máxima altura de colchón de aceite asumiendo dm = 500 micrón:
o
moo
SGdtr.hμ
2
001280 Δ=
4. Calcular el máximo diámetro para el colchón de aceite de la siguiente manera:a. Calcular:
wwoo
www
trQtrQtrQ.
AA
+= 50
b. Con este valor se entra al grafico y se calcula β:
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
c. Con el valor de β, calcular el dmax con la formula:
( )β
maxomax
hd =
5. Calcular d2Leff para cumplir con el tiempo de retención:
( )oowweff trQtrQ.Ld += 4212
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
6. Calcular la longitud costura a costura para capacidad de liquido:
7. Calcular el radio de esbeltez:
effss LL34
=
( ) 4312 yentredL ss =
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Horizontal
8. Elaborar la tabla siguiente:
d (pulg.) Leff (pie) Lss (pie)* (12)Lss/d
*: el valor de Lss, tiene que ser el mayor entre el calculado de los puntos 2 y 6.
9. Seleccionar d y Lss que satisfaga las condiciones mencionadas.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separador Vertical: Dimensionamiento
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Calculo de capacidad de Gas
Separador Vertical: Dimensionamiento
50
2 5040.
m
D
gl
ggmin d
CQPZTd ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ρρρ
donde:d: Diámetro interno del separador, pulg.Qg : Flujo de gas, MMPCED.Z: Factor de compresibilidad a P y T, adimensional.T: Temperatura de operación, ºRP: Presión de operación, psia.ρg:: Densidad del gas, Lb/ft3
ρl: Densidad del liquido, Lb/ft3
CD: Coeficiente de arrastre, adimensional.dm: Diámetro de gota de liquido a separar, micrones.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separador Vertical: DimensionamientoCalculo de capacidad de Gas
donde:CD: Coeficiente de arrastre, adimensionalRe: Numero de Reynolds.dm: diámetro de la gota, micronesρg: densidad del gas, lb/ft3Vt: velocidad terminal, ft/segµg: viscosidad del gas, cP
34032450 .
ReReC .D ++=
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separador Vertical: Dimensionamiento
Calculo de capacidad de Gas
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
donde:Vt = Velocidad terminal, ft/segρl = densidad del liquido (Lb/ft3)ρg = densidad del gas (Lb/ft3)dm: diámetro de la gota, micronesCD: Coeficiente de arrastre partícula, adimensional
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Capacidad para Sedimentación
Separador Vertical: Dimensionamiento
( ) 202 6690
m
o
dSGQdΔ
=μ
donde:d: diámetro mínimo para sedimentar la gota de agua, pulg.Qo: flujo de aceite, BPD.∆SG: Diferencia de gravedades especificas agua/aceite.µo: Viscosidad del aceite, cP.dm
2: diámetro de la gota, micrones.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tiempo de Retención
Separador Vertical: Dimensionamiento
2120 d.trQtrQhh ooww
wo+
=+
donde:ho: Altura del colchón de aceite, pulg.hw: Altura de agua en la salida hasta la interfase, pulg.Qw : Flujo de agua, BPD.trw : Tiempo de retención del agua, min. Qo: Flujo de aceite, BPD.tro: Tiempo de retención del aceite, min.d: diámetro del recipiente, pulg.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
•La longitud de costura a costura más larga calculada de estas dos formulas:
Longitud de costura a costura y radio de esbeltez
Separador Vertical: Dimensionamiento
12760 ++
= wss
hhL12
400 +++=
dhhL wss
•Radio de esbeltez
( ) 4312 yentredL ss =
donde:Lss: longitud costura-costura recipiente, pie.Leff: longitud efectiva recipiente, pie.d: diámetro del recipiente, pulg.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
1. Calcular el diámetro mínimo que satisfaga la capacidad de gas:50
2 5040.
m
D
gl
ggmin d
CQPZTd ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
ρρρ
Para el calculo de dm, se puede asumir el valor recomendado por la norma API, de 150 micrones.
Para el calculo de CD, utilizar la formula:
34032450 .
ReReC .D ++= (1)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Para calcular el numero de Reynolds se utiliza la formula:
Y para calcular la Vt utilizar la formula:
Como se puede observar, el valor de CD se repite como incógnita en las ecuaciones, por lo que la solución tiene que ser por ensayo y error.
g
tgm Vd.Re
μρ
00490=
50
01190.
D
m
g
glt C
d.V ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
ρρρ
(2)
(3)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Para calcular el valor de CD utilizar el siguiente procedimiento:
a. Asuma un valor de CD.
b. Calcular Vt de la formula (3).
c. Conociendo Vt, calcular el Re, de la formula (2).
d. Calcular entonces nuevamente CD con la formula (1), si dicho valor es igual al asumido, continuar con el siguiente paso, si no repetir la iteración hasta que los dos valores sean iguales.
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
2. Ya obtenido CD, calcular el diámetro mínimo d.
3. Calcular el diámetro mínimo para garantizar que la gota de liquido sedimente:
( ) 202 6690
m
o
dSGQdΔ
=μ
4. La suma de la altura de líquidos (ho + hw), utilizando el tiempo de retención dado.
2120 d.trQtrQhh ooww
wo+
=+
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Realizar cálculos de combinaciones de d y (ho + hw), y elabore la siguiente tabla:
d (pulg.) (ho + hw) (pie)
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
5. Calcular la longitud costura a costura, aplicando las siguientes formulas:
12760 ++
= wss
hhL12
400 +++=
dhhL wss
( ) 4312 yentredL ss =
6. Calcular el radio de esbeltez:
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
7. Construya una tabla resumen:
d (pulg.) (ho + hw) (pie) Lss (pie) (12)Lss/d
8. Seleccionar d y Lss que satisfaga las condiciones mencionadas.
Procedimiento para el Dimensionamiento del Separador Vertical
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Ejercicios
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
qo = 5,000 BAPD Aceite = 30º API
qw = 3,000 BPD Agua SGw = 1.07
qg = 5 MMSCFD SGg = 0.6
Po = 100 psia tro = trw = 10 min
To = 90 ºF Viscosidad Aceite = 10 cP
Dimensionar un separador trifásico horizontal para los datos siguientes:
Separadores Trifásicos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Otros recipientes para separación de fases
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros Separadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Este tipo de separador tiene una alta eficiencia de separación, pero como utiliza elementos para filtración, que deben ser reemplazados periódicamente, por lo que puede incrementar los costos si no esta bien diseñado.
Filtros Separadores
El gas entra por la boquilla de entrada y pasa a través de la sección de filtración, donde las partículas sólidas son filtradas y las gotas de líquidos coalescen y se forman gotas mas grandes. Estas gotas pasan a través del tubo y son removidas en la segunda sección del separador, donde un elemento extractor de neblina, completa la coalescencia.
El diseño integral del filtro separador es propiedad patentada y el fabricante debe ser consultado para que este elabore el diseño especifico y emita las recomendaciones pertinentes.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros Separadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Un diseño adecuado tiene que tomar en consideración la velocidad a través de los elementos filtrantes y a través del extractor de neblina. Sin embargo, no existe datos publicados, ya que esta información es propiedad de cada uno de los fabricantes de los filtros separadores.
Filtros Separadores
Con un apropiado diseño, el diferencial de presión normal para un filtro limpio debe estar entre 1 a 2 psi. A medida que se ensucie los elementos filtrantes será necesario limpiar o reemplazar dichos elementos cuando el diferencial de presión llegue a 10 psi. Sin embargo, como regla obligatoria cunado alcance 25 psi de diferencial de presión, hay que remplazarlos.
Los fabricantes de este filtro garantizan un 100% de remoción de gotas de líquidos > 8 micrones, y un 99.5% de remoción de partículas en un rango de 0.5 a 8 micrones. Sin embargo, este rendimiento es difícil verificarlo en el campo.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
El tamaño del cuerpo de un filtro separador horizontal para una típica aplicación, puede ser estimada por las mismas formulas para un depurador, utilizando un valor de K = 1.3.
Filtros SeparadoresDimensionamiento
21
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
g
glt KV
ρρρ
t
A
VQA =
πADv
4=
donde:Vt: velocidad terminal, ft/segK: constante empírica para dimensionamiento, ft/segρg: densidad del gas, lb/ft3ρl: densidad del liquido, lb/ft3A: área transversal del depurador, ft2QA: flujo actual de gas, ft3/segDv: diámetro interno del filtro separador, ft
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Calcular el tamaño de un filtro que se quiere utilizar para 50 MMPCED de gas a 100 psia y 100 oF con una gravedad especifica de 0.7 (Z=0.99). El liquido esperado tiene una gravedad API de 25.
Filtros Separadores
Ejercicio
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros SeparadoresHerramientas de Dimensionamiento del Fabricante
Peerless
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros SeparadoresHerramientas de Dimensionamiento del Fabricante
Peerless
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros SeparadoresHerramientas de Dimensionamiento del Fabricante
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Filtros SeparadoresHerramientas de Dimensionamiento del Fabricante
Natco
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
La deshidratación de aceite es el proceso mediante el cual se separa el agua asociada con el crudo, ya sea en forma emulsionada o libre, hasta lograr reducir su contenido a un porcentaje previamente especificado. La desalación consiste en reducir la salinidad del crudo.
Generalmente, estos porcentajes es igual o inferior al 1 % de agua y 10 PTB de sal.
Estos procesos consta de varios equipos, entre otros podemos mencionar:
Separadores, Eliminadores o despojadores de agua libreHornos y calentadoresTanques de lavado o “gun barrels”Tanques de almacenamiento, etc.
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tanque de almacenamiento
TRATAMIENTO 1TRATAMIENTO 1
Crudo
Agua
Sistema declarificación
BATERIA
Removedor deAgua libre(Opcional)
Separación Gravitacional
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Desarenador(Opcional)
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Agua
Gas
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 2TRATAMIENTO 2
Crudo
Agua
T2TT22
Horno
Sistema de clarificación
Tanque de almacenamiento
T1TT11
Removedor deAgua libre
Mezcla de crudocaliente
Tanque de Lavado
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Desarenador(Opcional)
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Gas
BATERIA
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 3TRATAMIENTO 3
CrudoCaliente
T2TT22
Sistema de clarificación
Tanque de almacenamiento
T1TT11
Removedor deAgua libre
Inyec. QuímicaDesmulsificante Desarenador
(Opcional)
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Gas
Tratador Térmico
Agua
BATERIA
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
BATERIATRATAMIENTO 4TRATAMIENTO 4
Crudo
Agua
T2TT22
Horno
Sistema de clarificación
Tanque de almacenamiento
T1TT11
Removedor deAgua libre
Mezcla de crudocaliente
DeshidratadorElectroestático
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Desarenador(Opcional)
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Gas
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 5TRATAMIENTO 5
Agua
Sistema declarificación
Tanque de almacenamiento
BATERIA
Removedor deAgua libre(Opcional)
Separación Gravitacional
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Desarenador(Opcional)
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Crudo
Agua
GasInyecc. Agua
Fresca
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 6TRATAMIENTO 6
Crudo
Agua
Horno
Sistema de clarificación
CrudoRemovedor deAgua libre
Crudocaliente
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Inyecc. AguaFresca
Desarenador(Opcional)
Tanque de almacenamiento
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)
T2TT22 T1TT11
Gas
Tanque de Lavado
BATERIA
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 7TRATAMIENTO 7
CrudoCaliente
T2TT22
Sistema de clarificación
Tanque de almacenamiento
Removedor deAgua libre
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Desarenador(Opcional)
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)Inyec. QuímicaDesmulsificante
Crudo
Gas
Tratador Térmico
Agua
T1TT11
Inyecc. AguaFresca
BATERIA
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
TRATAMIENTO 8TRATAMIENTO 8
Crudo
Agua
Horno
Sistema de clarificación
CrudoRemovedor deAgua libre
Crudocaliente
DeshidratadorElectroestático
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Inyecc. Agua fresca
Desarenador(Opcional)
Tanque de almacenamiento
Inyec. QuímicaDesmulsificante
Inyec. QuímicaAnti Incrustante
(Opcional)
T2TT22 T1TT11
Gas
BATERIA
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tipo de Tratamiento
Tipo de Emulsión y Grado de Salinidad
Disponibilidad de Espacio
Físico
º API Tiempo de Residencia
Temperatura requerida
por proceso
Requerimientos de Energía, Sistemas de Control y
Mantenimiento
Tratamiento 1, 5 (EAL+ID+SG+VM)
• Emulsiones débiles y moderadas• Salinidad Baja
Requiere poco espacio
20 0,25 – 0,50 hrs Temperatura natural del
fluido (>130 º F)
• No requiere energía adicional pero si una mayor dosificación• Sistema de control sencillo• Mantenimiento bajo
100 – 180 º F
100 – 250 º F
85 – 220 º F
• Moderado requerimiento de energía• Sistema de control estándar• Mantenimiento Moderado
• Gran consumo de energía• Sistema de control semi complejo• Mantenimiento Moderado a alto
• Gran consumo de energía• Sistema de control sofisticado• Mantenimiento alto
Tratamiento 2, 6 (EAL+H+ID+TL+VM)
• Emulsiones débiles y moderadas• Salinidad moderada
Requiere de un espacio físico grande
25 8- 24 hrs
Tratamiento 3, 7 (EAL+ID+TT+VM)
• Todo tipo de emulsión• Alta salinidad
Requiere poco espacio
Todo tipo
0,5 – 4 hrs
Tratamiento 4, 8 (EAL+ID+SE+VM)
• Todo tipo de emulsión• Alta salinidad
Requiere poco espacio. Especial para plataformas costa afuera
Todo tipo
0,25 – 2 hrs
Leyenda:EAL: Eliminador de agua libreID: Inyección de desmulsificanteSG: Separación gravitacionalH: Horno o calentador
TL: tanque de LavadoTT: Tratador térmicoSE: Separador o colaescedor electrostáticoVM: Válvula de Mezcla
Deshidratación y Desalado de Aceite
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separación Gravitacional
Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
Este se caracteriza por utilizar equipos de separación dinámica que permiten la dispersión de las fases de la emulsión y aceleran el proceso de separación gravitacional.
Entre ellos están los separadores convencionales líquido-líquido, tanques de lavado, tanques cortadores o “Gun Barrels” y cualquier recipiente separador del tipo gravitacional.
Para describir este proceso es necesario conocer y utilizar las leyes de Stokes, las cuales describen los fenómenos basados en la velocidad de sedimentación o decantación .
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Cálculo de velocidades de sedimentación
La Ecuación de Stokes describe la velocidad de sedimentación o de decantación y por tanto debe ser usada para el dimensionamiento de equipos requeridos para el tratamiento de crudo usando la separación gravitacional.
donde:
V : Velocidad de sedimentación o decantacióng : Aceleración de gravedaddp : Diámetro de la partícula en la fase dispersaρO : Densidad de la fase continuaρW : Densidad de la fase dispersaμO : Viscosidad de la fase continua
V μo
1.78 x 10-6 dp2 x (ρw - ρo) =
18μοg x dp2 x (ρw - ρo)
V =
En el sistema inglés:
V : pies/seg (ft/sec)dp : micronesρO : lb/pie3 (lb/ft3)ρW : lb/pie3 (lb/ft3)μO : Centipoises (cP)g: 32.2 ft/seg2
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
El tamaño de gota a ser usada en la ecuación de sedimentación (Stokes) para alcanzar un % de agua a la salida del equipo, debe ser asumido debido a que es poco común disponer de un reporte de distribución del tamaño de gotas.
Cualitativamente, debe esperarse que el mínimo tamaño de gota que debe ser removida para un corte de agua especificado:
• Aumente con el tiempo de retención en la sección de coalescencia.
• Aumente con la temperatura, que tiende a estimular el sistema, conduciendo a una mayor colisión de las gotas.
• Aumente con la viscosidad del petróleo, que tiende a inhibir la formación de gotas pequeñas de cortes que ocurren en el sistema
Consideraciones sobre el tamaño de gota
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Se selecciona una temperatura de operación.
Se determina la viscosidad del petróleo a esa temperatura, mediante correlaciones, como por ejemplo, la siguiente:
μο = 10x - 1 y= 10zx = y(T) -1.163
z = 3.0324 – 0.02023Gdonde:μo = Viscosidad del petróleo en centipoises (cp)T = Temperatura del crudo en grados Fahrenheit (ºF)
x, y, z = Coeficientes calculados dependientes de la gravedad API del crudo y de la temperaturaG = Gravedad API del crudo a ser tratado
Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Determinar el diámetro de la gota de agua que debe ser removida del petróleo a esa temperatura, mediante las relaciones siguientes:
dp / dp1% = wc0.33
dp1% = 200 μo0.25 para μo < 80 cp dp1% = 170 μ0.4 para 3 cp < μo < 80 cp
Para separadores electrostáticos
donde:
dp = Diámetro de las gotas de agua a ser separada del petróleo para alcanzar un corte de agua especificado, en micrones (μm)
dp1% = Diámetro de las gotas de agua a ser sedimentada para alcanzar 1% de agua en micrones (μm)
μo = Viscosidad de la fase petróleo en centipoises (cp)
wc = Corte de agua especificado
Para separadores convencionales
Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Determinar las dimensiones del equipo necesaria para satisfacer los criterios de sedimentación, dependiendo del tipo (horizontales, verticales, tanques de lavado o tanques cortadores “Gun Barrels”.
Recipientes Horizontales
d x Leff = 438 x(ΔSG) x dp
2
Qo x μo
Recipientes verticales
d = 81.8 x(ΔSG) x dp
2
Qo x μo1/2
Tanques de Lavado o Gunbarrels
d = 81.8 x(ΔSG) x dp
2
F x Qo x μo
1/2
donde:d = Diámetro del recipiente en pulgadas (in)Qo = Caudal de petróleo en barriles por día (bpd)μo = Viscosidad del petróleo en centipoises (cp)Leff = Longitud de la sección de coalescencia en pies (ft)
ΔSG = Diferencia de gravedad específica entre petróleo y agua (relativa al agua)
F = Factor de corto circuito= 1 para d < 48 pulgadas> 1 para d > 48 pulgadas
Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Chequear las dimensiones para asegurar que provea suficiente tiempo de retención (normalmente establecido de antemano), dependiendo del tipo (horizontales, verticales, tanques de lavado o tanques cortadores “Gun Barrels”.
Recipientes Horizontales
d2 x Leff = Qo x (tr)
1.05
Recipientes Verticales
d2 x h = Qo x (tr)
0.12
Tanques de Lavado o Gunbarrels
d2 x h = F x Qo x (tr)
0.12
donde:tr = Tiempo de retención en minutos (min)Qo = Caudal de petróleo en barriles por día (bpd)d = Diámetro del recipiente en pulgadas (in)h = Altura de la sección de coalescencia en pulgadas (in)Leff = Longitud de la sección de coalescencia en pies (ft)F = Factor de corto circuito
= 1 para d < 48 pulgadas> 1 para d > 48 pulgadas
Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tabular las combinaciones de d y Leff para la temperatura de operación y para el tiempo de retención requerido y graficar estas curvas así como las curvas de relaciones de esbeltez (Leff/d) recomendadas por las normas (generalmente entre 3 y 4).
Tt=100F
tr=20 min
Leff/d = 3
Leff/d = 4
30
50
70
90
110
130
150
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Longitud de la Sección de Coalescencia "Leff"(ft)
Dia
met
ro d
el R
ecip
ient
e "d
" (in
)
tr = 20 min T=100F Leff/d=3 Leff/d=4d Leff d Leff Leff/d d Leff d Leff
89 12 114 12 1,3 48 12 36 12
69 20 69 20 3,5 80 20 60 20
63 24 57 24 5,0 96 24 72 24
51 36 38 36 11,3 144 36 108 36
Procedimiento general de dimensionamiento de un equipo de separación mecánica o gravitacional (líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Ejercicio sobre Dimensionamiento de Equipos Gravitacionales
(Separadores líquido-líquido)
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Se requiere diseñar un separador horizontal de acuerdo a las condiciones:
Gravedad API del crudo = 30º APIGravedad específica del crudo = 0.875Flujo de Crudo = 5,000 bpdTemperatura de entrada del crudo = 80 ºFGravedad específica del agua = 1.04% AyS a la entrada = 10%% AyS a la salida = 1%Tomar Leff de 6, 12, 24 y 35 ft
1) Si se utiliza la temperatura de entrada del fluído, dimensionar el equipo para un tiempo de retención de 20 minutos. Se logrará ?
2) Si el proceso aguas abajo requiere que el tiempo de retención máximo sea de 20 minutos, y el fluido debe ser calentado, se logrará dimensionarlo para ese tiempo ? a) calentando hasta 100 º F b) calentando hasta 120 º F ?
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
T API z y x μο
80 30 2.4255 266.3790 1.6301 41.7100 30120 30
Procedimiento de resolución del problema
Con la temperatura dada de 80 F y considerando también 100 y 120 F, y la gravedad API de 30, se determina la viscosidad a esas temperaturas de las correlaciones mostradas:
μο = 10x - 1 y= 10zx = y(T) -1.163
z = 3.0324 – 0.02023G
Separación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Luego se determina el diámetro de la gota de agua que debe ser removida del petróleo a esas temperaturas para obtener a la salida del equipo un corte de agua del 1% usando esta ecuación:
dp1% = 200 μo0.25 para μo < 80 cp
μο dp1%
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Posteriormente se inician los cálculos de las dimensiones del separador (horizontal) necesaria para satisfacer los criterios de sedimentación de acuerdo a la ecuación de Stokes, tabulando el factor d x Leff a las diferentes temperaturas.
T 80 F 100 F 120 F
ΔSgo
μo
dp1% (μm)
d x Leff
d x Leff = 438 x(ΔSG) x dp
2
Qo x μo
A partir de la relación d x Leff, para cada temperatura, se calculan los diámetros correspondientes para los diferentes Leff establecidos en el problema .
d Leff d Leff d Leff
6 6 6
12 12 12
24 24 24
35 35 35
T=80 F T=100 F T=120 F
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para resolver la parte 1 del problema, se deben graficar los resultados anteriores de Leffy d para la temperatura de 80 F
020406080
100120140160180200220240260280300320340360
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Longitud de la Sección de Coalescencia "Leff"(ft)
Diam
etro
del
Rec
ipie
nte
"d"
(in)
Tt=80F
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Luego se chequea las dimensiones para asegurar que provea el tiempo de retención propuesto (20 min), calculando el valor d2 x Leff con ese valor
d2 x Leff = Qo x (tr)
1.05?
A partir de la relación d2 x Leff, y con el resultado obtenido para un tiempo de retención de 20 minutos, se calculan los diámetros correspondientes para los diferentes Leff establecidos en el problema .
d Leff
6
12
24
35
tr = 20 min
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Luego se grafican los resultados anteriores de Leff y d obtenidos a partir del cálculo de tiempo de retención de 20 minutos sobre el gráfico anterior de Leff y d correspondiente a la temperatura de 80 F
020406080
100120140160180200220240260280300320340360
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Longitud de la Sección de Coalescencia "Leff"(ft)
Dia
met
ro d
el R
ecip
ient
e "d
" (in
)
Tt=80Ftr=20 min
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para la parte 2 se requiere entonces graficar los resultados anteriores de Leff y d obtenidos a partir de las temperaturas de 100 y 120 F en conjunto con las líneas de relación de esbeltez 3 y 4 (Leff/d = 3 y 4, respectivamente)
Tt=80F
Tt=100F
Tt=120F
tr=20 min
Leff/d = 3
Leff/d = 4
020406080
100120140160180200220240260280300320340360
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Longitud de la Sección de Coalescencia "Leff"(ft)
Dia
met
ro d
el R
ecip
ient
e "d
" (in
)
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Para la pregunta 2, debemos calcular y tabular el calor requerido por el proceso para elevar la temperatura del fluido desde 80 F hasta 100 F y 120 F, respectivamente a través de la ecuación:
q = 16 x Qo X ΔT [0.5 x Sgo + 0.1 ]
Tabulamos los valores de q obtenidos para cada valor de temperatura del proceso
T(F) 80 100 120
q (MMBTU/hr)
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Del gráfico anterior, seleccionar cualquier combinación de d y Leff que satisfaga las condiciones de tiempo de retención de 20 minutos y relación de esbeltez entre 3 y 4, incluyendo algunos valores fuera de estos rangos para efecto de comparación. Llenar la tabla siguiente. Cual sería la combinación óptima de d y Leff ? Porque ? Cual sería el calor requerido por ese proceso seleccionado en particular ?
Temperatura ºF
d(in)
Leff
(ft)Leff/d Calor
RequeridoMMBtu/hr
Observaciones sobre la selección
100
120
Procedimiento de resolución del problemaSeparación Gravitacional Líquido-Líquido
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Recipiente bifásico diseñado para recibir el petróleo y su emulsión (junto al agua libre no emulsionada) y separar o cortar el agua libre.
Es conocido también como despojador o eliminador de agua libre y FWKO (Free Water Knock Out).
Equipos Usados en Alto Corte de Agua. Gas y aceite pueden salir juntos o separados.
Separadores de Agua Libre
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Entrada
Salidade gas+ aceite
SalidaDe agua
Difusor deLiquido
Interfazaceite/agua
Sección de asentamiento por gravedad
InterfazGas/Liquido
3 x 10 2,000 BPD
4 x 10 4,000 BPD
6 x 20 10,000 BPD
8 x 30 15,000 BPD
10 x 40 30,000 BPD
12 x 50 50,000 BPD
• Gas y aceite salen juntos• Mecanismo: gravedad (ley de Stokes: dif. densidades, tamano de las gotas, viscosidad del aceite)• Tiempo de asentamiento de las gotas de aceite, tiempo de retencion (tamano y proporcion)
Separadores de Agua Libre
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
La técnica de separación electrostática aprovecha la diferencia en la conductividad eléctrica de los distintos materiales para separarlos y concentrarlos.
Se clasifican de acuerdo al mecanismo de carga de las partículas en :
Electrodinámico o de alta tensión
Electroestático o de campo estático
Triboeléctrico
SALIDA DE AGUA LIBRE
SALIDA DE AGUA(AREA
ELECTROSTATICA)
Separadores Electroestáticos
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Recipientes en los cuales se extraen sales y otras impurezas inorgánicas que forman parte del petróleo o pueden haberlo contaminado durante su extracción.
Hay 2 maneras de retirar la sal. La primera es quitar toda el agua, y la otra es diluir el agua.
Utiliza carga electrostática para hacer que la mayoría del agua salga y se le inyecta agua fresca al petróleo bruto para diluir la concentración de la sal.
Este proceso se efectúa debido a los diversos problemas que la sal puede causar en los equipos de procesos en plantas y refinerías
Desaladores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
LavadoConsiste en hacer pasar la emulsión a través de un colchón de agua, que generalmente es caliente para provocar la coalescencia de las gotas de agua suspendidas. Este método de tratamiento es llamado deshidratación dinámica, y utiliza como elemento básico para el proceso un tanque de lavado.
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
Tanques de LavadoHan sido diseñados para promover la separación de agua y petróleo mediante la promoción de una condición favorable, tal que cada gota puede ser absorbida por contacto con un gran volumen del mismo tipo de agua.
En estos equipos se diferencias tres zonas:Una zona de agua en el fondo o colchón de agua , donde entra la emulsión y es lavada promoviendo la coalescencia de las gotas y separándose el agua libre.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
En estos equipos se diferencias tres zonas (cont..):La zona intermedia o interfase, donde las gotas de agua una vez que coalescen, sedimentan desprendiéndose de la fase petróleo que asciende.La zona de petróleo, donde el petróleo asciende con un mínimo contenido de agua, saliendo del tanque por gravedad con % Ay S menor de 1.0
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
Los principios básicos para lograr una buena eficiencia en los procesos con tanque de lavado son:
Emulsión desestabilizada.Facilidades para desgasificación Permitir la coalescencia (contacto y tiempo)Permitir Sedimentación (velocidad y tiempo)Evitar cambios de temperatura en el tanqueEvitar canalizaciones y áreas muertas
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Usualmente combinan métodos térmicos, químicos, tiempo de residencia y dispositivos mecánicos. El tanque de lavado es básicamente un tanque de asentamiento que tiene adaptado un tubo separador de gas en la parte interna o externa del tanque. Opera bajo el principio de diferencia de densidades.
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
La emulsión entra por la parte inferior del tanque, pasa por el tubo distribuidor o inducido por dispositivos mecánicos a través de un colchón de agua.
La emulsión asciende a través de la zona de agua que ayuda a la coalescencia de las gotas y permite suficiente tiempo de retención para que las fases se separen. El petróleo limpio, el gas y el agua salen por sus respectivas tuberías.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Llamados también “gun barrels”. Operan generalmente con media parte de agua (colchón de agua) y la otra parte lo cubre el petróleo.
La emulsión entra al área donde se libera el gas remanente, la fase liquida desciende por el tubo desgasificador y entra en contacto con la zona de lavado a través de un distribuidor, que se encarga de esparcirla, favoreciendo así la coalescencia de las partículas de agua.
Tienen tiempo de residencia de 3 a 36 horas.
CRUDO
AGUA
GAS
Emulsión
Salida de Crudo
Salida de Gas Línea de
igualación de presión
Salida de Agua
Sifón
Crudo
Emulsión
Gas
AguaAgua Caliente
Agua
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
El recipiente solamente provee tiempo de retención adicional, para que la emulsión pueda romperse. La mayoría del gas se separa al entrar al recipiente.
El crudo limpio en el tope del recipiente se derramara por gravedad y saldrá a almacenamiento.
Básicamente, cuando la combinación del cabezal de presión del crudo y agua sea mayor a la presión de cabezal en el brazo de agua, el agua fluirá sobre el tope del brazo de agua y se enviara a almacenamiento.
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
La producción es recibida inicialmente en
el separador líquido para liberar el gas.
Produce un efecto de tipo ciclón en el
tanque para el lavado del crudo neto, por
su forma espiral.
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”Tipo Espiral
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Componentes internos de tanque de lavado
Vista externa de tanque de lavado
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”Tipo Espiral
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tanques de Lavado o “Gun Barrel”Tipo Espiral
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
En estos se deposita el crudo estabilizado previo a su entrega final (refinería, terminal de embarque, etc.).
Son diseñados para operar a presión atmosférica. Para prevenir colapso por presurización tienen instalada una chimenea para venteo de gas.
Son de gran capacidad, comúnmente entre 40.000 – 200.000 barriles.
Mayormente usado del tipo techo flotante
Tanques de Almacenamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Equipo diseñado para retener la arena que contienen la producción fluyendo a las baterías, o las aguas efluentes, a fin de evitar que ingresen al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando problemas.
Existen varios tipos de desarenadores, los principales son:
Desarenador Longitudinal
Desarenador de vórtice.
Desarenadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Desarenadores Ciclónicos KREBS para aplicación en cabezal de pozo.
Desarenadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Equipos diseñados y operados para evitar las grandes variaciones de carga orgánica (producto del caudal por la concentración de materia orgánica) y que afectan el funcionamiento del tratamiento secundario.
Entre otras ventajas se mencionan:
Reducción de cargas instantáneas para mejorar el funcionamiento de los sedimentadores primario y secundario.
Protege el tratamiento biológico posterior, de las variaciones de carga de caudal.
Tanques de Igualación
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Tanques cuya función es recoger grasa o natas flotantes de la superficie de las aguas residuales o petrolizadas.
Consta esencialmente de:
Zona de admisión de la mezcla agua-grasas por la parte superior donde lo recibe un bafle.
El flujo de agua es vertical de arriba hacia abajo haciendo que todo el tanque se comporte como una canal circular.
Al final de su recorrido existe otro bafle donde choca el agua para provocar que las gotas de aceite remanentes se aglomeren (coalescencia).
Desnatadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
DesnatadoresFuncionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Son ampliamente utilizados en aplicaciones de clarificación primaria y secundaria.
Son tanques circulares, el patrón de flujo es radial (en contraposición al flujo horizontal en los tanques rectangulares). Para alcanzar un patrón de flujo radial el agua residual a ser sedimentada se introduce en el centro o alrededor de la periferia del tanque.
Estos diseños son acompañados de mecanismos de remoción del lodo para su desalojo del tanque.
Clarificadores
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Son tanques rectangulares diseñados para la separación de crudo disperso en las aguas de formación, según los procedimientos establecidos por el Instituto Americano del Petróleo
Separadores API
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIDimensionamiento
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API1. Cálculo de la velocidad de ascenso:
w
owa
)(.Vμ
ρρ −= 2261
donde:Va = Velocidad de ascenso, cm/segρw = densidad del agua, gr/cm3)ρo = densidad del aceite, gr/cm3)µw = viscosidad del agua, cP
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API2. Cálculo de la velocidad superficial de flujo:
Según normas API, esta recomienda que la velocidad horizontal superficial de flujo no debe ser mayor a 1,52 cm / seg.
aVVH 15=
donde:VH = Velocidad horizontal superficial de flujo, cm/segVa = Velocidad de ascenso, cm/seg
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API3. Cálculo del área mínima transversal vertical:
VHQMAC =
donde:AC = Área mínima de sección transversal, m2
QM = Caudal de agua a tratar, m3/minVH = Velocidad horizontal superficial, m/min
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API4. Cálculo del ancho y profundidad de canal:
BhAC x=
donde:AC = Área mínima de sección trasversal, m2
h = Profundidad del canal, mB = Ancho del canal, m
La relación entre d/B tiene que cumplir: 0.3 > d/B < 0.5
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API5. Cálculo del número de canales requeridos:
Si AC es mayor de 14,85 m2 , es necesario determinar el numero de canales requeridos por medio de la siguiente ecuación :
8514.ACcanales_de_Numero =
donde:AC = Área mínima de sección trasversal, m2
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API6. Cálculo de la longitud del canal:
h)V/VH(FL xax=
donde:L = Longitud del canal, mVH = velocidad horizontal superficial de flujo, m/minVa = Velocidad de ascenso, m/minh = Profundidad del canal, mF = Factor de corrección global de diseño, adimensionalFs = Factor de corrección por canalización preferencial, adimensionalFt = Factor de corrección por turbulencia, adimensional
sxt FFF =
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Separadores APIProcedimiento para el Dimensionamiento del Separador API
VH/Va Ft20 1.4515 1.3710 1.276 1.143 1.07
Ft se determina de la tabla siguiente, con el correspondiente valor VH/Va.
Fs se determina según norma API, que indica un valor optimo de 1,2
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Consiste en la colocación de placas paralelas en ángulos de 45º, en la dirección del flujo, permitiendo una mayor coalescencia de las gotas de crudo e Incrementan la remoción de sólidos pesados. Presentan menor tamaño que los separadores API y por ende menor costo de fabricación.
A: CANAL DE ENTRADAB: TANQUE DE ARENAC: PAQUETE DE PLACAS
E: CANAL DE SALIDAD: CAPA DE CRUDO
F: DRENAJE LODOS
“C”
“A”
“B”
“E”“D”
“F”“F”
ParalelasSeparadores de Placas
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
ParalelasSeparadores de Placas
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Estudios piloto, sobre eficiencia de placas corrugadas y utilizando agua con un contenido de crudo de 350 ppm, dieron como principales resultados, lo siguiente:
La eficiencia de remoción de crudo decrece con el incremento del caudal.La mayor eficiencia de separación se obtiene con una inclinación de las placas en un 45%.A menor gravedad específica del crudo, mayor será la eficiencia de la remoción.La remoción es directamente proporcional a la temperatura.A mayor concentración de crudo en el agua, se obtiene mayor eficiencia en la remoción.
Paralelas CorrugadasSeparadores de Placas
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Unidades de FlotaciónEn estos sistemas de flotación, la separación de crudo emulsionado del agua se logra con la inyección de aire o gas en pequeñas burbujas dentro de las fase acuosa, mediante inyectores o induciéndola por medio de agitación mecánica.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Unidades de FlotaciónLas burbujas de aire o gas en su ascenso hasta la superficie del agua chocan con las gotas de crudo, las cuales se adhieren a ellas y son llevadas hasta la superficie del liquido, donde el crudo separado se retira junto con la espuma que se forma por medio de los desnatadores.
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
Unidades de Flotación
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
ATARDECER EN KU-MALOOB-ZAAP
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
PUENTE SOBRE EL LAGO DE MARACAIBO - VENEZUELA
DISEÑO Y SELECCIÓN DESEPARADORES
MUCHAS GRACIAS