CONSIDERACIONES TEORICAS PARA EL DISEÑO DEL SEPARADOR BIBILOGRAFIA: Estaciones Recolectoras de Flujo. CEPET – PDVSA Apuntes de Estaciones de Flujo. Ing. Mario Arrieta Diseño Conceptual de Separadores

FUNCIONES QUE DEBE CUMPLIR UN SEPARADOR Permitir una primera separación entre los hidrocarburos, esencialmente líquidos y gaseosos Refinar aun mas el proceso, mediante la recolección de partículas liquidas atrapadas en la fase gaseosa Liberar parte de la fracción gaseosa que pueda permanecer en la fase liquida Descargar, por separado, las fases liquidas y gaseosa, para evitar que se puedan volver a mezclar, parcial o totalmente

REQUISITOS NECESARIO PARA EL DISEÑO DE UN SEPARADOR La energía que posee el fluido al entrar al recipiente debe ser controlada. Las tasas de flujo de las fases liquidas y gaseosa deben estar comprendidas dentro de cierto limites, que serán definidos a medida que se analice el diseño. Esto hace posible que inicialmente la separación se efectué gracias a las fuerzas gravitacionales, las cuales actúan sobre esos fluidos, y que se establezcan un equilibrio entre las fases liquido-vapor La turbulencia que ocurre en la sección ocupada por el gas debe ser minimizada.

La acumulación de espumas y partículas contaminantes ha de ser controlada. Las fases liquida y gaseosa no se deben poner en contacto una vez separadas. Las regiones del separador donde se pueden acumular sólidos deben, en lo posible, tener las previsiones para la remoción de esos sólidos El separador requiere válvulas de alivio, con le fin de evitar presiones excesivas, debido a diferentes causas, por ejemplo: líneas obstaculizadas El separador debe esta dotado de manómetro, termómetros, controles de nivel visibles. Es conveniente que todo recipiente tenga una boca de visitas, para facilitar inspección y mantenimiento

FACTORES QUE SE DEBEN CONSIDERAR DURANTE EL DISEÑO A los efectos de un diseño de un separador se deben considerar los parámetros que afectan el comportamiento del sistema. Se analizaran las propiedades de los fluidos, las cuales derivan del comportamiento de las fases que se separan cuando la mezcla de hidrocarburos entra al recipiente. Las características del gas y del liquido dentro de la unidad intervienen de manera directa en el dimensionamiento. Se estudiaran, luego, las diferentes secciones del separador, lo cual conduce a terminar, con el soporte de los dos puntos anteriormente estudiados, tipo de recipiente que se ha de utilizar

PROPIEDADES D E LOS FLUIDOS Las tasas de flujo mínima y máxima del liquido y del gas y su respectivo promedio La temperatura y la presión de operación del separador Las propiedades de los fluidos, tales como: densidad, viscosidad y corrosividad La presión de diseño del separador El numero de fases que debe manejar la unidad, por ejemplo: liquido-gas (separador bifásico) o crudo-agua-gas (separador trifásico) Las impurezas que pueden estar presente en los fluidos, como arena, parafina y otras La tendencia de los fluido a formar espuma y su impacto en la corriente aguas abajo. El efecto de la velocidad de erosión Las variaciones transitoria de la tasa de alimentación del separador. La información sobre todos los elementos mencionados es necesaria para determinar el diseño mecánico adecuado

CONDICIONES MECANICAS DE LOS SEPARADORES

FUERZAS GRAVITACIONALES SEPARACION Es la entrada de los fluidos al separador. Absorbe la cantidad de movimiento de los fluidos de la alimentación. También se controla el cambio abrupto de la corriente, lo que produce una separación inicial. Generalmente, la fuerza centrifuga originada por su entrada tangencial en el envase remueve volúmenes apreciables de líquidos y reorienta la distribución de los fluidos SECCIONES FUERZAS GRAVITACIONALES Las fuerzas gravitacionales tienen una influencia fundamental. Las gotas del liquido que contiene el gas son separadas al máximo. Este proceso se realiza mediante el principio asentamiento por gravedad. En este caso, la velocidad de gas se reduce apreciablemente. En consecuencia, la corriente de gas sube a una velocidad reducida. En algunas ocasiones, en esta sección se usan tabiques y otros tipos de extractores de niebla, con el fin de controlar la formación de espuma y la turbulencia

EXTRACCION DE NEBLINA: En esta parte se separan las minúsculas partículas que aun contiene el gas, después de haber pasado por las dos secciones anteriores. La mayoría de los separadores utilizan, como mecanismo principal la extracción de neblina, la fuerza centrifuga o el principio de choque. En ambos métodos, las pequeñas gotas del liquido se separan de la corriente de gas en forma de grande gotas, que luego caen a la zona de recolección de líquidos SECCIONES ACUMULACION DE LIQUIDO Los líquidos separados en las secciones anteriores se acumulan en la parte inferior del separador, por lo tanto, se requiere de un tiempo mínimo de retención que permita llevar a cabo el proceso de separación. También se necesita un volumen mínimo de alimentación, en especial cuando el flujo es intermitente. Esta parte posee controles de nivel para manejar los volúmenes de liquido obtenidos durante la operación

SEPARADOR HORIZONTAL DE DOS FASES

En un separador vertical de mayor altura, el control de nivel es menos critico que un separador horizontal. La posibilidad de obtener mayor capacidad para los líquidos es menos costosa en un separador horizontal. Para aumentar el volumen del fluido que se puede almacenar, solo se necesita agregar cilindros huecos del mismo diámetro del separador original. Esto resulta mas económico que las otras posibles soluciones. No obstante, es bueno recordar que muy pocas veces el separador es modificar después que ha sido construido y puesto en uso. El mantenimiento por lo general, se limita a mejorar los componentes internos del separador. El manejo de partículas solidas es menos complejo en un separador horizontal, porque se pueden agregar mecanismos internos para limpiar la arena y dejar previstas en el diseño bocas de visita apropiadas. El trabajador con crudos espumosos se hace con menor dificultad en un separador horizontal. Al dejar una fase libre para la espuma, el diseño es mucho mejor, aunque el recipiente resulta mas costos

SEPARADOR ESFERICO

En síntesis, las principales desventajas de los separadores horizontales son esencialmente las ventajas de un separador vertical Los separadores horizontales resultan deseable cuando existen problemas, como grandes volúmenes de liquido, crudos espumosos y presencia de emulsiones. Sin embargo, es de hacer notar que todos estos factores se deben tomar en cuenta durante el proceso de selección del separador, antes de adquirir la unidad. Así, por ejemplo, es posible tener una relación gas-petroleo alta, emulsiones y espuma, y escoger un separador vertical porque es capaz de manejar una presencia moderada de areniscas en los crudos

DISEÑOS DE LOS PROCESOS DE SEPARACION El diseño de los procesos cubre las dimensiones requeridas del separador y las del equipo interno. La diferencia entre un separador y un tambor es mínima. No obstante, cuando se contabiliza el costo de los equipos internos, la variación es apreciable. El fluido, al entrar en el separador, debe reducir su velocidad de manera abrupta. Esto permite el inicio del proceso de separación de modo efectivo. Luego, las fuerzas de gravedad hacen que continúe este proceso. Las gotas de los líquidos bajan y los gases suben.

SEPARADORES DE DOS FASES SEPARACION INICIAL La corriente de entrada a un separador gas-liquido posee una velocidad apreciable, por lo tanto, cantidad de movimiento en la entrada del separador e salta. Por este motivo, se hace necesario usar dispositivos para dispositivos para producir cambios en la cantidad de movimiento, en la dirección de los fluidos y en su aceleración SECCIONES

Dispositivos para la separación inicial Trabajan por agitación mecánica y se diseñan en forma de placa, ángulo, cono o de semiesfera. El objetivo de los deflectores es lograr un cambio rápido en la dirección y en la velocidad de la corriente de entrada, siendo esta la razón predomínate para que se produzca la separación gas liquido en la primera sección TIPO DEFLECTORES El diseño de los deflectores se basa fundamentalmente en que deben resistir la carga que origina el impacto de los fluidos a la entrada del separador. Los conos y las semiesferas son dispositivos mas ventajosos, ya que con ellos se produce una menor cantidad de perturbaciones, y, en consecuencia se reducen los problemas de emulsiones, los cuales se generan por la recombinación de los fluidos

Funcionan mediante fuerzas centrifugas, en lugar de la agitación mecánica que se caracteriza a los del primer grupo. La entrada de los fluidos al separador con esta clase de mecanismo se hace mediante una chimenea ciclónica. Algunas, en caso de los separadores verticales, se introduce un liquido forzando el fluido a dirigirse tangencialmente hacia las paredes internas del separador. Esta practica puede generar la formación de un vórtice. Si tal cosa ocurriera, la unidad quedaría desactivada y el gas natural se iría con el petróleo por la parte inferior del recipiente TIPO CICLON Los ciclones se caracterizan por una velocidad de entrada de alrededor de 20 pies/s, en una chimenea cuyo diámetro es cercano a 2/3 del diámetro del separador. La caída de presión en ellos esta comprendida en el rango de 1 a 5 psi. Los dispositivos mas usados son los ciclónicos de chimenea o tangenciales

FUERZAS GRAVITACIONALES Las fuerzas de gravedad dominan el proceso de separación. Las gotas del liquido están sometidas a la influencia de varias fuerzas, siendo las principales la de gravedad y las originadas por el movimiento. Las fuerzas de flotación son pequeñas, si la turbulencia es controlada SECCIONES Existe una velocidad critica del gas cuando se trabaja por debajo de ella, las fuerzas de gravedad controlan el movimiento del gas. Por consiguiente, al diseñar esta sección es necesario tratar de obtener una velocidad menor que la critica, con el fin de lograr que las fuerzas de gravedad hagan caer las gotas del liquido y que estas no sean arrastradas por legas. Esto indica que para obtener las dimensiones de esta sección, es fundamental poder calcular lo mejor posible parámetro.

Una vez determinada la velocidad critica, se puede conocer la sección transversal mínima del separador, lo cual se logra dividiendo el flujo volumétrico del gas, en condiciones de operaciones, entre la velocidad. Una vez determinada la velocidad critica, se puede conocer la sección transversal mínima del separador, lo cual se logra dividiendo el flujo volumétrico del gas, en condiciones de operación entre la velocidad.

La velocidad critica se puede predecir mediante las relaciones que se derivan de la ley de caída de Newton, la cual se expresa de la forma siguiente:

FUERZAS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE SEPARACION

Como se puede apreciar en la figura anterior, el comportamiento de una gota de liquido en un separador vertical es diferente de su comportamiento en un separador horizontal. En el separador vertical, las resultantes de la sumatoria de las fuerzas poseen una dirección vertical; mientras que en el horizontal las resultantes siguen una dirección inclinada. Esta diferencia hace posible que la velocidad del gas en un separador horizontal pueda alcanzar valores mayores que los se obtiene en uno vertical

Importancia del valor de la constante K La Asociación de Productores y Procesadores de Gas de los EUA, utiliza el criterio: K = 0.35 ( a 100 lpcm) y disminuye una centésima (o,001) para cada 100 psi. La norma británica , lo hace comparando las tasa másicas del liquido y del gas en el separador (Wl/Wg) para escoger el valor correspondiente de K

Para diseñar separadores verticales: Si la razón de las tasa másicas es menor de 0,10, el valor de K será igual a 0,35. Entre 0,10 y 1,0, se toma K =0.25 Valores mayores de 1,0, se toma el valor de K = 0.20 La selección de uno u otro criterio tendrá un impacto determinante en la velocidad critica del gas dentro del separador y, por lo tanto, en la separacion del diámetro Para separadores horizontales, la GPSA recomienda el uso de valores de K que varían entre 0, 40 y 0.50

SEPARADORES HORIZONTALES

Un incremento en el valor de K puede ocasionar un aumento en el arrastre del liquido en la fase gaseosa. La calidad del gas que se desea obtener, ya sea rico o pobre en componentes pesados, depende en parte de la velocidad permitida

El flujo volumétrico del gas es conocido en condiciones normales Para convertir el flujo volumétrico del gas en condiciones operacionales La densidad del gas se determina:

Determinación de la velocidad del gas, es necesario considerar la formación de espuma, para lo cual se puede considerar las alternativas siguientes: En el caso de crudos espumosos, se acostumbra a dividir por diez la velocidad del gas calculada para los crudos convencionales Puede instalar enderezadores o placas en la sección central de la unidad. De esta manera, se logra reducir la turbulencia y se obtiene un asentamiento con meno cantidad de espuma. Permitir que el tiempo de retención sea lo suficientemente grande como para garantizar la separación y reducir de modo apreciable la formación de espuma Siempre que se diseñe un separador horizontal es factible, dejar un espacio libre para la espuma. Por lo general esto se hace con separadores trifásicos. PDVSA tiene como normativa, que para cada fase se deje como mínimo una altura de 12”

VELOCIDAD DE DISEÑO SEGÚN CE- NATCO

Cambios en la formación de espuma

Sección de extracción de neblina o coalescencia Una vez que el gas sale de la sección dominada por las fuerzas de gravedad, entra al extractor de niebla, en el cual se remueven las gotas del liquido que quedan en el gas. Estos dispositivos son convenientes cuando se necesita que el gas que sale del separador sea lo mas seco posible. En algunas ocasiones, estos elementos nos son necesarios. La efectividad de los dispositivos depende de la velocidad del gas. Cuando se trabaja velocidades muy altas o muy bajas, los extractores son poco efectivos

Sección de extracción de neblina o coalescencia Esta parte se diseña sobre la base del lapso que un pequeño volumen del liquido permanece en el separador, el cual se denomina tiempo de retención y debe ser tal que permita la salida del gas atrapado en el fluido. Para un separador de tres fases, el tiempo de retención debe ser suficiente para hacer posible la separación del crudo en el agua y viceversa. Cuando la emulsión se mueve a lo largo del separador, el agua debe quedar libre del petróleo y el crudo, libre de góticas de agua. El diseño obliga a que el tiempo de permanencia del crudo en el recipiente sea mayor que el lapso requerido para cada una de las fases quede completamente limpia. El tamaño de las partículas de agua en el petróleo o de petróleo en el agua incide de modo impactante en el tamaño requerido del separador. Para determinar el tiempo de retención, se pueden emplear pruebas de campo, se puede usar la ecuación de Stokes:

TABIQUES

Separador de Tabiques

Dispositivos para la recuperación de liquidos

Zona de eficiencia de las mallas

Las densidades y viscosidades se pueden estimar o calcular a partir de las propiedades físicas de los fluidos. Los trabajos de laboratorio, realizados por la EXXON, demuestran que la variación en el tamaño delas partículas está en el rango de 100 a 300 micrones El tamaño mas adecuado por usar es 100 micrones (3,937 x 10-3), en el caso de no conocer el diámetro de la partículas La EXXON recomienda usar los tamaños siguientes: Para crudos de 35º API o mas livianos: 0,049” (125 micrones) Para crudos mas pesados que 35º API: 0.0035 (90 micrones)

Velocidad de asentamiento máxima del liquido de 10 pul/min (0 Velocidad de asentamiento máxima del liquido de 10 pul/min (0.254 m/min) para fines de diseño Si se calculan las velocidades de asentamiento y se conoce el nivel del liquido, se puede estimar el tiempo de retención, el cual se obtiene dividiendo la distancia máxima que las partículas deben recorrer entre la velocidad de asentamiento El tiempo de retención multiplicado por el flujo volumétrico= al volumen del liquido retenido en inyección inferior del separador Para crudo livianos y medianos el tiempo de retención es de tres minutos aproximadamente. Peor si existe problemas de emulsiones el problema el tiempo debe ser mayor

PDVSA Para separadores verticales Un minuto y medio para destilados y petróleo crudo con gravedad de 40º API o mayor Tres minutos para petróleos crudos catalogados como espumosos, en condiciones operacionales y gravedad API 25 y 40º Cinco minutos para petróleos crudos que sean considerados espumosos y/o gravedades API por debajo de 25º. La norma es taxativa al no aconsejar el uso de separadores verticales cuando existe una formación severa de espuma

Para el caso especifico de los separadores trifásicos, se recomienda utilizar un tiempo de retención mínimo de cinco minutos para la separación de las dos fases liquidas (agua y petróleo); no obstante, siempre que el espacio lo permita se deben emplear separadores horizontales

VORTICES. POSICION DE LOS VORTICES

MODELOS DE ROMPEVORTICES

DIMENSIONES DEL SEPARADOR Generalmente en un separador horizontal el volumen asignado para la zona gaseosa esta comprendido entre la mitad y las 2/3 partes del volumen total del separador.

PARAMETROS DEPENDE DE Sección transversal de la zona de gas Velocidad Critica Caudal del gas que puede manejar Área disponible para el gas Volumen de retención de liquido Características del crudo y tiempo de retención asignado

DIMENSIONAMIENTO DE LOS SEPARADORES VERTICALES En un separador vertical se distinguen cuatro secciones, las cuales pueden dimensionarse de manera independiente: Distancia de la salida del vapor a la malla metálica ( o dispositivo equivalente). La distancia entre la salida del vapor y la malla metálica esta perfectamente definida y se puede calcular ajustándose a las normas Distancia de la malla metálica al orificio de entrada La distancia de la malla al orificio de entrada debe ser mayor de 18” (PDVSA = 3pies) ( GPSA recomienda mínimo dos pies. En separadores que carezcan de extractores (o su equivalente), la distancia entre los orificios de entrada y salida no debe ser inferior a tres pies. Distancia del orificio de entrada al nivel mas alto de liquido La distancia comprendida entre el fondo del orificio de entrada y el nivel mas alto del liquido ha de ser por los menos, iguala al diámetro del orificio de entrada. Pero es aconsejable usar una distancia mínima de dos pies

Espacio asignado al liquido La sección inferior del separador se dimensiona tomando en cuenta el tiempo de retención de liquido. Un mínimo de dos pies por encima de la línea tangente inferior. El nivel mas alto del liquido debe estar, por lo menos, a un pie una relación L/D (altura/diametro) entre 3 y 4. La norma británica acepta valores mas altos (L/D = 6.0 )

CRITERIOS PARA DIMENSIONAR ORIFICIOS Y DISPOSITIVOS DE NETRADA Y SALIDA AL SEPARADOR El diámetro de las entradas y salidas debe ser un poco mayor que el de la tubería que va al separador. Esto tiene como finalidad disminuir las perdidas por efectos de la entrada y salida de los fluidos al recipiente. El diseñador necesita tener en cuenta que el uso de diámetros muy grandes para la descarga de líquidos facilita la formación de remolinos, lo cual puede desactivar el separador. Para evitar esos problemas se suelen instala rompe vórtices

OTROS TIPOS DE SEPARADORES Y EQUIPOS SEPARADORES TRIFASICOS Son recipientes capaces de separar el gas y las dos fases de los líquidos inmiscibles. Por lo general, resultan muy grandes porque se diseñan para garantizar que ambas fases (agua y petróleo) salgan completamente libre una de la otra ( agua sin petróleo y petróleo sin agua). Estos separadores se emplean para separar el agua que pueda estar presente en el crudo, con lo cual se reduce la carga en el equipo de tratamiento del petróleo y se aumenta la capacidad de transporte en las tuberías. También ayuda mejorar la precisión de las mediciones d eflujo

Diferentes Tipos de separadores verticales de tres fases

SEPARADORES HORIZONTALES TRIFASICOS

INSTALACIONDE DISPOSITIVOS PARA EL CONTROL DE ARENA

SEPARADORES ESFERICOS Unidades compactas de separación, de forma esférica, utilizadas para de alta presión, y volúmenes pequeños de liquido Son pocos empleados en la industria del petróleo El gas sale por el fondo del recipiente a través de un tubo que sirve de rompe vórtices, en los cuales el vorticismo pudiera representar un problema