Capitulo 3 - Separadores

5/21/2018 Capitulo 3 - Separadores

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3-. SEPARADORES

Un separador es un recipiente cerrado que trabaja a presin en el cual se separan dos otres fases del fluido producido por los pozos. Cuando se separan dos fases son lquido ygas y cuando se separan tres fases son gas, petrleo y agua.

3.1-.Clasificacin de los Separadores

Los separadores se pueden clasificar de varias maneras, dependiendo de las fases queseparan, de la forma, de la posicin, de la utilizacin o condiciones de trabajo, etc.

En cuanto a las fases que separan pueden ser bifsicos o trifsicos; sern bifsicos sisolamente separan gas y lquido y trifsicos si separan gas, petrleo y agua. Los

bifsicos son ms comunes y los trifsicos se usan generalmente donde hay crudoslivianos y no se presentan emulsiones.

En cuanto a la forma pueden ser cilndricos o esfricos. Los cilndricos son los mscomunes pero los esfricos son bastante usados en campos de gas y cuando debentrabajar a presiones altas (3)..

En cuanto a su posicin, esto se refiere a los separadores cilndricos, pueden serverticales y horizontales; estos ltimos pueden ser de un solo cilindro o dos. Losverticales se usan cuando hay una RGL ms bien baja y en pozos que puedan tenerproduccin de arena; los horizontales de un solo tubo se usan cuando se tienen RGL altaspero una tasa lquida estable, y los de dos tubos pueden manejar ms fcil producciones

altas, dan ms tiempo de reposo al lquido para extraerle el gas y pueden manejar msfciles relaciones gas-lquidos altas.

De acuerdo a su utilizacin, en una batera hay separadores de prueba, y generales yseparadores de alta y baja presin; estos dos ltimos existe cuando a una batera lleganpozos con presiones bastante altas y se requieren dos o ms etapas de separacin, cadauna a una presin menor que la anterior.

De acuerdo a su funcin mas importante:

Separadores de agua libre. Conocidos como Free Water Knockout (FWKO) y su funcines remover el agua libre de una mezcla de hidrocarburos.

Flash Tank. (Despresurizadores) para bajarle la presin a sistemas de hidrocarburoslquidos y removerles el gas liberado.Separadores Especiales. Usados especialmente en el tratamiento del gas para removerlehumedad o partculas slidas; cuando es para el primer caso se conocen comodespojadores (Scrubbers) y en el segundo caso se conocen como separadores de filtros.Separadores Generales y de Prueba. Los primeros reciben la produccin de varios pozosy los segundos la produccin de un solo pozo para determinarle sus caractersticas deproduccin. Normalmente en una estacin de tratamiento debe haber un separador deprueba pues a todos los pozos del campo se les debe realizar peridicamente pruebas deproduccin con el fin de hacerle un seguimiento a su comportamiento productivo.


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Existe un tipo de separador cuya funcin principal es estabilizar la produccin que estllegando a una batera cuando los pozos no tienen produccin estable, conocidos como

Slug Catchers; en estos casos la produccin pasa de los colectores al Slug catcherdonde aunque hay separacin gas - lquido la funcin principal es estabilizar laproduccin para poder enviar el lquido que sale de este recipiente a los separadores, querequieren que la entrada sea estable, para complementar la separacin de fases. Estetipo de separador es muy comn en plataformas de produccin en las cuales la lnea delpozo viene por el lecho del mar y al llegar a la plataforma debe ascender en muchoscasos de 150 a 200 pies, lo cual ocasiona segregacin de fluidos en la tubera que va delfondo del mar a la plataforma y por tanto si los fluidos fueran a llegar directamente a unseparador convencional se pueden presentar problemas en el funcionamiento de esteporque no se tiene tasas de flujo estables de lquido y gas(6,8).

3.2-. Mecanismos de Separacin en un Separador

En general los mecanismos de separacin en un separador son fsicos y mecnicos. Losmecanismos fsicos son la segregacin y la fuerza centrfuga y los mtodos mecnicoshacen uso de dispositivos que pueden ayudar a atrapar una fase, generalmente la faselquida, y dejar escapar la otra, generalmente la fase gaseosa, o pueden ayudar a que sepresente una mejor separacin por gravedad o fuerza centrfuga.

3.3-. Secciones de un Separador

Para efectuar una separacin lo ms completa posible un separador consta generalmentede cuatro secciones, aunque esto puede variar dependiendo del tipo de separador. Lascuatro secciones son:

Seccin de separacin primaria. Por ella entra la mezcla de fluido al separador y allocurre una primera separacin de fases, el gas que viene libre y el lquido.Generalmente el separador en esta seccin posee dispositivos, que imparten fuerzacentrfuga, distribuyen la corriente que est entrando y/o disminuyen la turbulenciapara que se presente una separacin ms rpida. En esta seccin la separacin espor gravedad y fuerza centrfuga.

Seccin secundaria. El gas en la seccin primaria al tratar de escapar arrastra algo delquido, en la seccin secundaria parte de este lquido alcanza a caer por gravedad.En esta seccin el mecanismo de separacin de fases es la gravedad.

Seccin acumuladora de lquido. El lquido por ser ms pesado que el gas cae haciala zona inferior del recipiente mientras el gas trata de escaparse hacia la partesuperior. El lquido al caer se acumula en la seccin acumuladora de lquido en dondepermanece un determinado tiempo en reposo permitiendo que pueda escaparse el gasque se ha venido atrapado en l. El tiempo que permanece el lquido en esta seccinse conoce como tiempo de retencin y puede ser desde unos 3-5 minutos hasta unos20 minutos cuando se trata de crudos espumosos (3). La presencia de esta seccin deacumulacin de lquido cumple con dos funciones especiales (5), por una parte, comose dijo, permite que el gas acabe de separarse del lquido y por otra impide que el gasse vaya por el fondo del separador donde est la salida de los lquidos. En esta


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seccin, en el caso del separador trifsico se presenta tambin la separacin de aguay petrleo. En caso de que no haya separacin de agua y aceite habr una salida de

fluido solamente, por donde se puede drenar el lquido; cuando se tenga separacinde agua y petrleo hay dos salidas, una para el agua y otra para el petrleo. En estaseccin la separacin se da por gravedad.

Seccin extractora de humedad. El gas al pasar por la seccin de separacinsecundaria pierde mucha parte de su humedad, las gotas de lquido que alcanzan acaer por gravedad, pero de todas maneras algunas gotas ya muy pequeas noalcanzan a caer y son arrastradas por el gas. La seccin extractora de humedad seencarga de retirar estas gotas. La seccin consta de unas especies de filtros dondequeda atrapado el lquido en forma de pequeas gotas las cuales se van uniendohasta alcanzar un tamao lo suficientemente grande para caer. La configuracin de laseccin extractora de humedad vara dependiendo del crudo que se est manejando y

del tipo de separador. Al salir el gas de la seccin extractora de humedad pasa abuscar la salida del gas del separador y hacia la lnea colectora de gas. En estaseccin la separacin se hace por adsorcin y gravedad.

Adems de las secciones antes mencionadas todo separador posee un sistema decontrol que regula el funcionamiento del mismo con el fin de garantizar que elseparador trabaje a una determinada presin, que se debe establecer, y semantengan unos volmenes tambin establecidos para las secciones de gas y lquidoen el separador. El control del separador se realiza mediante una vlvula decontrapresin que garantiza que el separador trabaje a la presin establecida y uncontrol de nivel de lquido que garantiza que los niveles de las zonas para manejo decada una de las fases del separador se mantenga estable.

3.4-. Funcionamiento de un Separador

En general un separador para realizar sus funciones de retirar todo el lquido del gas ytodo el gas del lquido consta de las cuatro secciones de las que ya se ha hablado, peroadems posee una serie de dispositivos en cada una de sus secciones que ayudan a unfuncionamiento ms efectivo del separador. Veamos ahora un poco en detalle cmotrabajan algunos de los diferentes tipos de separadores.

3.4.1-. Separador Vertical Bifsico. En la figura 4(9) se muestra un separador verticalbifsico y en ella se identifican las cuatro secciones. La mezcla de fluidos entra por unpunto intermedio del separador (seccin de separacin primaria) y al hacerlo pasa por el

elemento degasificador el cual se encarga de distribuir el chorro de fluido que estentrando y facilitar as la separacin del gas y el lquido que vienen libres adems demejorar la posibilidad de escape del gas del lquido (gas que an no se ha liberado).Algunas veces al entrar el fluido al separador no pasa por elemento degasificador,especialmente cuando hay poco gas, sino que ms bien el chorro de lquido al entrarchoca contra una placa deflectora o contra un elemento giratorio buscando con estodistribuir la direccin de flujo en el primer caso o generar fuerza centrifuga en el segundocaso; en ambos casos se mejora la oportunidad de separar el gas y el lquido; al chocar lacorriente de fluido contra la placa deflectora sta se distribuye a travs de toda el rea delseparador y ser mucho ms fcil la separacin de gas y lquido; cuando la corriente


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Figura 4. Separador Bifsico Vertical con sus Componentes ms Importantes(9).


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choca contra un elemento giratorio ste al recibir el impacto empieza a rotar y al hacerloimpulsa el fluido que choca contra l hacia a las paredes del separador, pero como el

lquido es ms pesado que el gas adquiere mayor fuerza centrfuga y trata de escaparsems rpido hacia las paredes, de esta manera la fuerza centrfuga ayuda a separar gas ylquido. En consecuencia, en esta seccin primaria las fuerzas de separacin songravedad y fuerza centrfuga.

Despus de la seccin de separacin primaria, el gas sigue hacia arriba y pasa por laseccin de separacin secundaria donde algunas gotas de lquido que han sidoarrastradas por el gas que se separ en la seccin primaria, se caen por gravedad. Enesta seccin generalmente no hay medios mecnicos que ayuden a la separacin, esta espor gravedad.

Luego de la seccin secundaria, el gas pasa por la seccin extractora de humedad en la

cual todas las gotas del lquido que no alcanzaron a separarse en la seccin secundariason extradas mediante algn mtodo mecnico; esta seccin hace las veces de un filtropor el cual pasa el gas pero no alcanza a pasar el lquido. En el extractor de humedad elgas va a encontrar una serie de obstculos con los cuales choca y al hacerlo quedaadherida parte del lquido en forma de pequeas gotas las cuales se van uniendo y luegocaen. La configuracin del extractor de humedad puede ser como aparece en la figura 4,y en la figura 5 aparecen otras configuraciones comunes. Se debe aclarar que unextractor en forma de filtro a base de alambre enrollado no es recomendable cuando setiene produccin de crudos que presentan depositacin de parafinas. En la seccinextractora de humedad el mecanismo de separacin es una combinacin de impacto,adsorcin y gravedad. Despus de pasar el gas por la seccin extractora de humedadsale a la parte superior del separador en donde se encuentra la salida para el gas.

El lquido que se separa en la seccin de separacin primaria adems de las gotas quecaen de las secciones de separacin secundaria y extractora de humedad se cae hacia laseccin de acumulacin de lquido que, como ya se dijo, cumple con dos funcionesimportantes, por una parte permitir que el lquido permanezca un determinado tiempo enreposo y as el gas que haya podido venirse atrapado en el lquido tenga oportunidad deescaparse, y por otra parte el colchn de lquido impide que el gas se escape por la salidadel lquido. Muchas veces la seccin de acumulacin de lquido est separada del restodel separador por un bafle o placa cuya funcin es tratar de mantener la superficie dellquido lo menos turbulenta posible, lo cual tambin facilita la liberacin del gas; el lquidoantes de pasar hacia la seccin de acumulacin de lquido cae sobre el bafle o placa ypasa hacia abajo a travs de orificios o ranuras del bafle.

3.4.2-. Separadores Horizontales. Se usan generalmente cuando la produccin de gasempieza a ser alta, la produccin de lquido es ms o menos uniforme y no se presentanvariaciones bruscas en el nivel de fluido dentro del separador. Cuando hay produccinalta tanto de lquido como de gas se usan los separadores horizontales de dos tubos en elcual en el tubo superior se maneja el gas y en el inferior el lquido.

En la figura 6a se muestra un separador horizontal bifsico que funciona de la siguientemanera: la mezcla de fluidos entra a este tipo de separadores por un extremo del cilindroy al hacerlo choca contra un elemento giratorio el cual le imprime fuerza centrfuga a lasfases lquida y gaseosa ayudando a que se separen y al hacerlo, el lquido cae por


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Figura 5. Sistemas para Extraccin de Niebla en un Separador. a, b) Canales deFlujo con Obstculo. c) Filtro Elaborado con Alambre Enrollado.


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Figura 6. Separadores Bifsicos Horizontales con Algunos de sus ComponentesInternos. a) Con Extractor de Niebla. b) sin Extractor de Niebla.


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gravedad hacia la parte inferior del separador; la zona donde se presenta esta separacininicial de fluidos se puede considerar como la seccin de separacin primaria.

Como en el separador horizontal no hay un trayecto en direccin vertical apreciable pordonde pueda viajar el gas y permitir que parte de las gotas de lquido que ha arrastradocaigan, se recurre a medios mecnicos para retirarle la humedad al gas; por este motivoel gas se hace pasar por una serie de placas, llamadas placas de rectificacin con lascuales va establecer contacto con el gas y al hacerlo, gran parte de las gotas de lquidoque est arrastrando se adherirn a las placas y luego caern al fondo del separador; estaseccin de rectificacin viene a desempear la funcin de la seccin de separacinsecundaria.

Despus de salir el gas de la seccin de rectificacin pasa hacia la seccin extractora dehumedad cuya forma y funcionamiento es similar a las descritas en el separador vertical;

se debe aclarar sin embargo que la seccin extractora de humedad no es tan necesariaen los separadores horizontales como en los verticales pues, por una parte la seccinrectificadora la mayora de las veces es bastante efectiva y, por otra parte el recorrido delgas es ms largo que en el caso vertical, lo cual da ms oportunidad de que el lquido sesepare del gas; en caso de usar seccin extractora de humedad se debe tener en cuentael tipo de crudo que se vaya a tratar para seleccionar el filtro, pues, por ejemplo, no sedebe usar un filtro de alambre enrollado si el crudo presenta depositacin de parafinas;despus de pasar el gas por la seccin extractora de humedad busca la salida para elgas. El lquido que se ha separado en las secciones primarias, de rectificacin yextractora de humedad busca la seccin de acumulacin de fluidos, la cual es la seccininferior del cilindro y est separada de las dems secciones por una placa o baflehorizontal con orificios o ranuras a travs de las cuales pasa el lquido hacia abajo; esta

seccin posee la salida del separador para la fase lquida pero como la altura de lacolumna de fluido en esta seccin es tan pequea la mayora de las veces, en esta salidase pueden formar vrtices lo cual permitira que se escapara gas con el lquido, paraevitar esto se usa el tubo ranurado, conocido como rompedor de vrtices.

La figura 6b muestra otro separador horizontal bifsico de un solo tubo que presenta dosdiferencias principales con respecto al de la figura 6a: por una parte el chorro de fluido nochoca al entrar con un elemento giratorio sino con una placa deflectora y por otra parte noposee el filtro o colchn extractor de humedad; generalmente cuando la RGL es alta escomn usar separadores como el de la figura 6a y cuando la RGL es baja se puede usarun separador horizontal sin colchn extractor de humedad.

Cuando se tiene un separador horizontal de dos tubos, las secciones de separacinprimaria, de rectificacin y extractora de humedad se encuentran en el tubo superior, esdecir el tubo superior es semejante a un separador horizontal de un solo tubo con laexcepcin de que no posee seccin de acumulacin de lquido, esta funcin la cumple eltubo inferior; el tubo superior est comunicado, generalmente en sus dos extremos, con eltubo inferior para permitir el paso del lquido.

3.4.3 Separador Esfrico. Este tipo de separador se usa principalmente cuando hayuna produccin alta, y adems a presin alta, de gas. La figura 7 muestra un esquema deun separador esfrico. El chorro de fluido entra por un punto dado y es llevado hacia elextremo opuesto en donde se divide en dos chorros que hacen ngulo de 180; con este


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Figura 7. Separador Esfrico.

mtodo se busca distribuir la corriente a travs de toda la circunferencia del separadorpara mejorar la separacin de fases; as ocurre la separacin inicial de lquido y de gas, ellquido se va al fondo y el gas se va hacia arriba. En la parte superior del separador hayuna seccin extractora de humedad por la cual tiene que pasar el gas antes de buscar lalnea de salida. En este separador el volumen ocupado por la seccin de acumulacin delquidos debe ser pequeo comparada con el volumen del separador a fin de que puedamanejar una cantidad alta de gas y ste pueda salir bien seco. El bafle horizontal conorificios se usa para separar las zonas de gas y de lquido.

3.4.4-. Separadores Trifsicos. Son casi siempre verticales u horizontales y aunque noson tan comunes como los bifsicos se usan en aquellos campos donde la produccin deagua es muy baja, casi nula, y adems sta no viene emulsionada con el petrleo sinoque en la seccin de asentamiento de lquido el agua y el aceite se separan porsegregacin. La diferencia entre el separador bifsico y el trifsico est en la seccin deacumulacin de lquidos pues en este ltimo hay separacin de agua y aceite y por tantola seccin de acumulacin de lquido tendr una salida para el agua y una para el aceite yun sistema de control para la interfase agua aceite y otro para la interfase aceite - gas.Como casi siempre el petrleo es ms liviano que el agua la capa de aceite estar porencima de la de agua.

3.5-. Control del Separador


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Aunque el separador est diseado para realizar la separacin de fases, la calidad deesta separacin depende del control de sus condiciones de operacin y de las tasas de

salida de las fases. Una buen separacin de fases depende de factores tales como:

Caractersticas fsicas y qumicas del crudo Temperatura y presin de operacin Cantidad de fluido que se necesita tratar Tamao y configuracin del separador

En condiciones normales de operacin los controles de operacin de un separador son uncontrol de presin y un control de nivel cuyo funcionamiento es el siguiente (figura 8):

El control de presin mantiene constante la presin del separador regulando la salida delgas; si la presin aumenta por encima de la presin de operacin esta presin actasobre la vlvula de control de salida de gas y hace que se abra ms para permitir mspaso de gas; si la presin disminuye por debajo de la presin de operacin, la vlvula quecontrola la salida de gas se cierra un poco y de esa manera bloquea un poco la salida degas permitiendo que el separador se presurice nuevamente. Adicional a la vlvula decontrapresin, el sistema de control de la presin en el separador posee una vlvula dealivio y un disco de ruptura; en caso de que por alguna razn la vlvula de contrapresinno permita la despresurizacin del separador cuando este est a presiones por encima dela presin de operacin, la vlvula de alivio se abre para despresurizar el recipiente, y sifinalmente la vlvula de alivio no funciona y el recipiente continua presurizndose serompe el disco de ruptura el cual es una lmina normalmente de aluminio que soporta unadeterminada presin y cuando se somete a una presin mayor se rompe; al romperse el

Figura 8. Controles de un separador.


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disco de ruptura el recipiente queda abierto a la atmsfera o una lnea de descargaconocida como lnea de los quemaderos.

La figura 9(9) muestra una seccin longitudinal de una vlvula de contrapresin y sufuncionamiento es el siguiente: La vlvula tiene tres componentes fundamentales: El pilotoque consta del tornillo de ajuste, el diafragma y la vlvula; el motor que es la seccin quefinalmente bloquea o permite el paso del gas a travs de la vlvula, consta del diafragmay la vlvula de bloqueo, y el orificio de paso del fluido cuya direccin de flujo es la indicadapor las flechas en la parte inferior de la figura. En condiciones normales la vlvula estcerrada y el gas no puede pasar a travs de ella; est cerrada porque el resorte del pilototiene cerrada la vlvula de este y el gas que est encerrado en la cmara por encima deldiafragma de la vlvula del motor la cierra . El fluido que trata de buscar salida a travs dela vlvula aplica presin por debajo del diafragma de la vlvula del piloto tratando devencer la presin del resorte y abrir la vlvula del piloto, y tambin aplica presin por

debajo del vstago de la vlvula del motor tratando de abrirla; debido a la diferencia derea del diafragma del motor y del vstago de la vlvula del motor, esta vlvula no abreinicialmente. Al no encontrar salida el fluido la presin sobre el diafragma del piloto ysobre el vstago de la vlvula del motor aumenta y llegar el momento en que la presinsobre el diafragma del piloto sea mayor que la ejercida por el resorte, esto har que elresorte se contraiga, la vlvula del piloto se abra y se despresurice el depsito de gas queejerce presin sobre el diafragma del motor , lo cual permitir que el vstago de la vlvuladel motor se levante por la presin del fluido que trata de pasar la vlvula y permita elpaso de este. Al empezar a pasar el fluido este se va despresurizando y llegar elmomento en que ya no sea capaz de mantener abierta la vlvula piloto permitiendo quese cierre y esto traer como consecuencia que se cierre la vlvula del motor porque ya nosale gas del depsito por encima del diafragma de la vlvula del motor.

La figura 10(9)muestra el corte longitudinal de una vlvula de alivio y su funcionamiento esel siguiente: La vlvula consta de tres partes principales el tornillo de presin del resorte,el resorte y los orificios que comunican el separador con alguna lnea de salida. La vlvulaest normalmente cerrada porque el resorte, tensionado por el tornillo, ejerce presinsobre el extremo inferior del vstago y cierra el orificio que comunica al separador, y semantendr cerrada mientras la fuerza debida a la presin del separador aplicada sobre elplato del vstago en la direccin hacia arriba sea menor que la fuerza debida a la tensindel resorte aplicada hacia abajo; al aumentar la presin del separador la fuerza haciaarriba aumenta hasta llegar a vencer la fuerza hacia abajo y en esta caso la vlvula abre ycomunica el separador con la salida permitiendo que el separador se despresurice. Lasalida a la que comunica esta vlvula es normalmente una lnea que lleva a algn tanque

o a los quemaderos, que son sitios retirados de la estacin donde se envan hidrocarburosque no es posible almacenar o manejar, para quemarlos.

El control de nivel mantiene constante el nivel de lquido en el separador actuando sobrela vlvula que controla la salida de lquido; si el nivel est por encima de un valorestablecido el control de nivel har que la vlvula se abra ms y aumente la salida delquido y cuando el nivel de lquido est por debajo del valor establecido el control hace

que la vlvula se cierre un poco y de esa manera disminuye la salida de lquido. Elcontrol de nivel funciona con un detector de nivel de lquido, una lnea desuministro de presin y la vlvula de descarga del lquido ubicada en la lnea de


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Figura 9-. Seccin Longitudinal de una Vlvula de Contrapresin(9)


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Figura 10-. Seccin Longitudinal de una Vlvula de Alivio(9).


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descarga del lquido; el sensor de nivel le enva seales a la vlvula de descarga,a travs de la lnea de suministro de presin, para que abra o cierre dependiendode si el nivel est por encima o por debajo de un valor establecido. Un sensor denivel muy comn es un flotador cuyo brazo est conectado a una vlvula que estubicada sobre la lnea de presin que va a la vlvula de descarga, la presin deesta lnea es la requerida para hacer abrir la vlvula de descarga. Cuando el nivelde lquido en el separador est alto, el flotador sube y por tanto su brazo baja y alhacerlo abre la vlvula sobre la lnea de presin y la presin de esta lnea setransmite a la vlvula de descarga haciendo que abra y por tanto pueda salir ellquido del separador. Cuando el nivel de lquido en el separador est bajo, elflotador cae y su brazo sube haciendo cerrar la vlvula sobre la lnea de presin yretirando la presin sobre la vlvula de descarga haciendo que sta se cierre y nopermita la salida del lquido del recipiente. La Figura 11(9)presenta un esquema

de la vlvula de descarga (seccin longitudinal) la cual funciona de la siguientemanera: El gas de la lnea de suministro de presin aplica presin sobre eldiafragma de la parte superior de la vlvula tratando de vencer la tensin delresorte que mantiene el disco del vstago cerrando el orificio inferior de salida dela vlvula, si la presin sobre el diafragma vence la tensin del resorte el vstagoes empujado hacia abajo y la entrada lateral, que es la conexin de la vlvula conla lnea de salida de lquido del separador, queda comunicada con la salida de lavlvula permitiendo la salida de lquido; cuando no hay presin sobre el diafragmasuperior, o sea cuando no est comunicada la lnea de suministro de presin conla vlvula, el vstago es empujado hacia arriba por el resorte y la salida de lavlvula queda aislada de la lnea de salida de lquido del separador.

Si el nivel de lquido est por encima del valor fijado es posible que el gas salga con algode humedad y si el nivel de fluido es bajo el lquido sale con algo de gas.

La altura a la cual se debe mantener el nivel de fluido se establece con base en el tiempode retencin y este a su vez se define con base en la experiencia y dependiendo del tipode fluido a tratar y de las caractersticas del separador. De igual manera se debeproceder con la presin de operacin, la cual se determina con base en experiencia o deuna manera ms rigurosa realizando un estudio de comportamiento de fases para elsistema de hidrocarburos que nos permita encontrar la presin a la cual en el separadorse obtenga la mayor cantidad de lquido y la menor cantidad de gas (10); si la presin delseparador est por encima de la presin de operacin el gas saldr con ms humedad y

si la presin est por debajo de la presin de operacin, que es un valor establecido,disminuye la capacidad del separador al gas.

Una variacin en el nivel de fluido afecta las capacidades del separador al gas y al lquidoy esta variacin es mucho ms critica en el caso de separadores horizontales que en losverticales. El control del separador es ms sencillo cuando es bifsico que cuando estrifsico, especialmente en el control de salida de lquidos pues en el separador trifsicose debe controlar la salida de dos fases lquidas lo cual requiere de dos controles de niveluno en la interfases agua-aceite que controla la salida del agua y otro en la interfase gas-aceite que controla la salida de aceite.


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Figura 11-. Seccin Longitudinal de una Vlvula de Descarga de Lquido de unSeparador(9).


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La figura 12 muestra dos maneras de controlar el funcionamiento de un separadorhorizontal trifsico; como se puede apreciar el control de la salida del gas es similar al

mostrado en figura 8 la diferencia radica en la forma como se controla la salida de aceite yagua. El separador de la figura 12a posee un bafle o placa vertical que hace las veces derebosadero y crea una cmara de aceite a la derecha del separador; en esta cmara seinstala el control de nivel para regular la salida del aceite; en la parte izquierda delseparador queda la interfase agua aceite y all se podra instalar un control de nivel pararegular la salida de agua el cual puede funcionar adecuadamente si no hay presencia deemulsiones, pues en este caso la emulsin estara entre la capa de aceite y la de agua.Para evitar el efecto de la presencia de emulsiones se puede recurrir a un control como elque se muestra en el separador de la figura 12b en donde le control de nivel para regularla salida de aceite est en la interfase gas-aceite y el control de nivel para el agua est enla interfase agua-gas.

La figura 13 muestra el caso similar al de la figura 12 pero en un separador vertical; en elseparador de la figura 13a puede haber problema para el control de la salida de agua sihay presencia de emulsiones, en este caso se puede controlar la salida de fluidos comose muestra en la figura 13b donde no hay efecto de la presencia de emulsin.

3.6-. Operaciones de un Separador

Son actividades que se realizan con el recipiente de manera eventual o rutinaria paraefectos de mantenimiento o garantizar un funcionamiento adecuado y las cuales se debenrealizar siguiendo procedimientos sencillos pero rigurosos con el fin de garantizarseguridad para el personal que la realiza y para la estacin

3.6.1-. Arrancada (puesta en operacin). La figura 14 muestra los pasos que se debenseguir para poner en funcionamiento un separador los cuales se pueden resumir as:

Si el recipiente est vaco cierre las vlvulas en cada salida de fluidos. Si tiene un regulador de presin debe arreglarse a un 75% de la presin de control

normal, y luego se lleva lentamente a la presin de control normal despus de que elseparador est en operacin. Esto prevendr que los dispositivos de alivio de presinse abran en el caso de que el control de presin no haya sido arreglado y permita quela presin llegue a valores por encima de la presin de operacin.

Si el separador tiene dispositivos de cierre por bajo nivel, desactvelos o agregue ellquido para el nivel de fluidos quede por encima del control de nivel.

Asegrese que cada lnea de salida del separador tenga la orientacin adecuada.

Abra lentamente la entrada de fluido al recipiente. Cuando el nivel de lquido alcance el rango de los controles de nivel colquelos en

servicio y abra la vlvulas cerradas en el paso 1.

Ajuste los controles de nivel y presin para estabilizar su operacin.

3.6.2-. Operaciones de Rutina. Son observaciones y chequeos que se deben hacerdiariamente buscando posibles falla en el funcionamiento del separador. En la figura15 se esquematizan las posibles operaciones de rutina en un separador, las cuales


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Figura 12. Formas de Controlar el Nivel de Lquido en Separadores TrifsicosHorizontales.


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Figura 13. Formas de controlar el nivel de lquido en Separadores TrifsicosVerticales

Figura 14. Pasos para Poner en Funcionamiento un Separador.


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normalmente son:

Verificar correctamente los instrumentos de medida para hacer las medicionesapropiadas.

Asegurarse que las vlvulas de control abren y cierran completa y parcialmente sinobstruccin alguna; esto se consigue hacindolas abrir y cerrar intencionalmente.

Limpiar los visores (los visores son vidrios a travs de los cuales se observa, porejemplo, la interfase gas-petrleo), manmetros, registradores de temperatura, etc.Verificar correctamente los instrumentos de medida para hacer las medicionesapropiadas.

Asegurarse que las vlvulas de control abren y cierran completa y parcialmente sin

obstruccin alguna; esto se consigue hacindolas abrir y cerrar intencionalmente.

Limpiar los visores (los visores son vidrios a travs de los cuales se observa, porejemplo, la interfase gas-petrleo), manmetros, registradores de temperatura, etc.

Verificar que el elemento extractor de humedad no est taponando; esto se haceregistrando presiones antes y despus del elemento.

3.6.3-. Puesta Fuera de Operacin. La figura 16 esquematiza los pasos que se debenseguir para poner un separador fuera de operacin, por ejemplo para hacerlemantenimiento:

Bloquear la entrada al separador. Si no se va a drenar cerrar la lnea de salida. Si va a drenar abra el desvo (bypass), si hay, o desactive el control de nivel de

lquido. Si va a despresurizar el recipiente, cierra la vlvula de control de salida de gas. Abra la vlvula de venteo para despresurizar.

3.7-. Caractersticas de Produccin que Afectan la Separacin.

Existen algunas situaciones donde la produccin tiene caractersticas indeseables quedificultan el funcionamiento de separadores y es necesario tenerlas en cuenta paraneutralizar sus efectos mediante diseos adecuados de los separadores o tratamientospreventivos de los fluidos producidos. Las siguientes situaciones se pueden considerarcomo problemticas desde el punto de vista de separacin de fases:

3.7.1-. Produccin Inestable.Se da cuando la tasa de lquido y de gas no es constante oestable si no que llegan de manera alterna, volmenes relativos grandes de gas(burbujas) seguidos de volmenes relativos grandes de lquido (tapones). Esta produccintambin se le conoce algunas veces como produccin por baches y se presenta, porejemplo, cuando hay posibilidades de segregacin de fases mientras la produccin llegaa los separadores. En estos casos el funcionamiento de los controles del separador se


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20

Figura 15. Operaciones de rutina en un Separador.

hace difcil, porque el nivel de lquido es muy inestable y presenta variaciones ampliasdesde un valor bajo cuando est llegando bsicamente gas al separador, hasta un valoralto cuando est entrando el tapn de lquido. En estos casos se requiere estabilizar lastasas de flujo y para ello se usan los separadores especiales conocidos como SlugCatchers.

3.7.2-. Produccin de Crudos Espumosos. La presencia de espumas en un separadores un problema triple por lo siguiente:

El control mecnico del nivel de lquido se complica porque aparece una nuevafase.

La espuma tiene una alta relacin volumen/peso y puede ocupar mucho espaciodel recipiente que podra aprovecharse para la retencin de lquido o para laseparacin por gravedad.

La presencia de un banco de espuma hace difcil que el lquido salga sin gas oeste sin lquido.

La principal causa de la presencia de espumas son las impurezas diferentes al aguapresentes en el petrleo que es imprctico removerlas antes de que el petrleo llegue alos separadores. La espuma no presenta problema en un separador si el diseo internoasegura suficiente tiempo de retencin o suficiente superficie de coalescencia para que laespuma se rompa. La cantidad de espuma formada depende de la cada de presin a la


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21

que es sometido el lquido al entrar al separador y de las caractersticas del lquido a lascondiciones del separador.

Las tendencias espumantes de un crudo se deben determinar en el laboratorio y con baseen los resultados y la experiencia sobre el manejo de este tipo de crudos, disearadecuadamente el recipiente requerido. Las recomendaciones en cuanto al diseo sondisear para manejar el problema de presencia de espumas y luego usar depresores deespuma para optimizar la capacidad del recipiente; no se debe disear partiendo delsupuesto que se van a usar depresores para eliminar la espuma pues la efectividad deldepresor vara con la composicin de la produccin y las caractersticas de produccin ,las cuales varan con el tiempo. Normalmente los depresores de espumas son costosos.

Figura 16. Pasos para Dejar Fuera de Operacin un Separador.

3.7.3-. Presencia de Parafinas.La presencia de parafinas puede afectar adversamenteel funcionamiento del separador pues se acumula y obstruye el funcionamiento de losaccesorios internos del mismo, especialmente el extractor de humedad. Las tendencias aformar parafinas de un crudo se determinan en el laboratorio y de acuerdo a losresultados disear el separador para poder manejar este problema; por ejemplo no usarextractores de humedad de tipo filtro y proveer el separador de accesos para removerperidicamente las acumulaciones de parafina, por ejemplo conexiones para inyectarlevapor de agua.


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22

3.7.4-. Presencia de Arena.La arena adems de que desgasta los equipos y accesoriosse puede acumular y obstruir internamente el funcionamiento del separador. Si es

inevitable la produccin de arena el separador debe llevar internamente conos para laacumulacin de arena y boquillas para inyectarle agua a presin y removerla; adems losmateriales del separador y los accesorios deben ser de resistencia adecuada para no serdesgastados fcilmente por la arena.

3.7.5-. Presencia de Emulsiones. La presencia de emulsiones afecta el control de nivel yreduce los espacios para la retencin de fluidos en el recipiente. Cuando se presentanemulsiones normalmente en el separador no se hace separacin trifsica, pero algunasveces con el uso de desemulsificantes o con calentamiento se puede romper la emulsinantes de que la produccin llegue al separador y separar las tres fases en este.

3.8-.Evaluacin de la Eficiencia de un Separador.( Tomado de referencia 5).

Despus de poner en operacin un separador, despus de disearlo y dimensionarloadecuadamente, es necesario evaluar su desempeo con el fin de garantizar que estfuncionando de una manera eficiente. Aunque existen muchos procedimientos, la mayoraempricos, para analizar el desempeo del separador el siguiente es un procedimientomuy usado especialmente para recipientes grandes y con el cual se busca obtener lacurva de eficiencia del separador y la mxima tasa eficiente a la cual puede trabajar.

Para ello se procede de la siguiente manera:

Se pone el separador a operar a una tasa estable pero baja y que no presentearrastre de lquido por parte del gas ni liberacin de gas en el lquido que sale del

separador. Con la tasa y el nivel de lquido estabilizado en el separador, se sube el nivel de

lquido hasta que se presente arrastre de lquido por el gas, lo cual se podrdetectar porque el nivel de lquido del despojador a travs del cual se hace pasarel gas al salir del separador, aumenta.

Para la misma tasa disminuya el nivel de lquido hasta que se presente arrastre degas por parte del liquido. Esto se detecta de la siguiente manera: Si una levereduccin en el nivel de lquido no hace que aumente la tasa de gas en el segundoseparador al cual se enva el lquido que sale del separador bajo estudio y si unleve incremento en el nivel de lquido no hace que disminuya la tasa de gas en elsegundo separador, entonces no hay arrastre de gas por parte del liquido. De esta

forma se establece el nivel mnimo al cual empieza a ocurrir arrastre del gas.

Se aumenta la tasa de operacin en el separador y se repite el procedimiento.Esto se continua hasta que se encuentre que a una tasa dada el nivel de fluido alcual se presenta arrastre de liquido es igual al nivel de fluido al cual se presentaarrastre de gas. La tasa a la cual ocurre esto se conoce como la tasa mximaeficiente ( MER por sus iniciales en ingls).

Graficando el nivel de lquido al cual se presenta arrastre del gas para cada tasade operacin, se obtiene la curva conocida como curva de arrastre, y la curva que


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23

se obtiene de graficar el nivel de lquido al cual se presenta arrastre de gas paracada tasa se conoce como curva de burbujeo; ambas curvas se cortan en la MER.

La figura 17 muestra el grfico que se obtiene finalmente el cual se conoce como curva deeficiencia del separador.

Figura 17-. Curva de Eficiencia de un Separador.

3.9-. Dimensionamento de Separadores(10)

El dimensionamiento de separadores se refiere a la determinacin de sus capacidades allquido y al gas cuando se conocen sus dimensiones, o de las dimensiones del separadorcuando se conoce la cantidad de lquido y gas que se tiene para manejar, teniendo comoobjetivo una separacin efectiva de las fases.

El primer paso en el dimensionamiento de separadores es la definicin del sistema deseparacin lo cual implica el nmero de etapas en que se va a hacer la separacin y la

presin a la que debe trabajar cada etapa. El nmero de etapas en que se debe realizar laseparacin gas/lquido depende fundamentalmente de la presin a la que llegan losfluidos a superficie; cuando la presin es alta la separacin normalmente no se puedehacer en una sola etapa porque se requerir de un recipiente muy grande y ademspodra verse afectada la cantidad de lquido que finalmente se tendra, en este caso serecomienda separar por etapas y para cada etapa se debe dimensionar un separador. Lapresin a la que debe trabajar el separador se debe establecer con el criterio que debeser aquella a la cual el rendimiento de lquido sea el ms alto; en el separador ocurre unproceso de separacin de fases y la cantidad de lquido y gas que se separen en elrecipiente dependen de las caractersticas de la mezcla que entra y de las condiciones depresin y temperatura, especialmente la presin. La definicin del sistema de separacin


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24

es un problema de clculo de fases y en la referencia 10 se puede consultar. En elpresente trabajo se parte del supuesto que ya se tiene establecido el sistema de

separacin y solo se requieren dimensionar los recipientes.

Normalmente para dimensionar un separador se tienen en cuenta dos aspectos quedefinen la calidad de los fluidos que salen del mismo; estos aspectos son la velocidad delgas en el recipiente y el tiempo de retencin del lquido en el mismo. La velocidad del gasdebe ser tal que permita que las partculas de lquido de tamao de 100 micras o mayoresalcancen a separarse hacia la zona de lquido mientras el gas hace el recorrido a travsdel recipiente; debido a su velocidad el gas ejerce una fuerza de arrastre sobre laspartculas de lquido suspendidas en l y trata de llevrselas, pero la partcula tambinest sometida a una fuerza gravitacional debido a su peso y el movimiento neto de lapartcula ser hacia donde est orientada la resultante de las dos fuerzas anteriores, y elobjetivo es que este movimiento sea hacia la zona de lquido y de una magnitud tal que la

partcula alcance a separarse de la fase gaseosa antes de que el gas salga del separador.El tiempo de retencin del lquido en el recipiente debe ser tal que todas las burbujas degas que se fueron atrapadas en el lquido al caer ste a la zona de acumulacin delquido, se alcancen a separar y cuando el lquido salga del recipiente no tenga burbujasde gas. Una vez se tengan las dimensiones del recipiente estas deben cumplir con unconcepto conocido como relacin de esbeltez. Mediante este concepto se define larelacin apropiada entre la longitud y el dimetro del recipiente con el fin de que este seaestructuralmente estable y realice adecuadamente la separacin.

3.9.1-.Velocidad de Asentamiento de una Partcula.

En la separacin de fases en un separador se presenta el problema de una partcula

suspendida en un fluido, por ejemplo partculas de lquido suspendidas en gas, partculasde agua suspendidas en petrleo y viceversa. Es necesario conocer la velocidad con quetales partculas se asientan a travs del fluido para poder determinar el tiempo que elfluido debe permanecer en el recipiente con el fin de liberarse de las partculassuspendidas en l.

Una partcula sumergida (suspendida) en un fluido est sometida a dos tipos de fuerzas,de un lado la fuerza de arrastre que le aplica el fluido y de otra el peso de la mismapartcula.

La fuerza de arrastre que se aplica sobre la partcula est dada por la ecuacin: (vernomenclatura)

2*

4**

22vd

CF p

Da f

= (3.1)

Dependiendo del tipo de flujo que se tenga, CD se puede calcular de las siguientesmaneras:

Si el flujo es laminar


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25

Re

24

N

CD = (3.2)

Generalmente, cuando se tienen partculas de lquido suspendidas en fase lquida, el flujoes laminar.

Si el flujo es turbulento

34,0324

2

1

ReRe

++=N

NCD (3.3)

Cuando se tienen partculas de lquido suspendidas en fase gaseosa se considera que la

partcula est sometida a flujo turbulento.

El peso de la partcula suspendida est dado por

( ) gd

F pfp

g **83

43

= (3.4)

La mxima velocidad permisible en el fluido es aquella con la cual la fuerza de arrastre esigual a la fuerza gravitacional, o sea que en el caso de partculas de lquido suspendidasen lquido se tiene:

( ) gdvdN

Fpfp

p

fa *244

2*

4**24 3

22

Re

==

y como

vdN

p=Re , si se reemplaza en la ecuacin anterior queda finalmente:

( )

18

2

gppgdv

= (3.5)

la cual cuando se lleva a unidades prcticas se tiene

fpp

dv

= 2810*87,2 (3.6)

La ecuacin (3.6) se conoce como ecuacin de Stokes

Cuando se tiene flujo turbulento, la mxima velocidad permisible para el fluido se obtienede igualar las ecuaciones (3.1) y (3.4) o sea


26/61

26

( ) gdvd

C pfpp

D f*

24

4

2

*

4

* 322

=

de la cual, despejando v se tiene:

( ) 21

**3

4

=

f

fp

D

pg

C

dv

y cuando se lleva a unidades prcticas queda como

2

1

*0119,0

=

D

m

f

fp

Cdv

(3.7)

La ecuacin (3.7), con el fin de obviar el clculo del valor de CDy tomando valores tpicospara dmse presenta algunas veces simplificada de la siguiente forma

5.0

*

=

f

fPkv

(3.7a)

donde k es una constante que est dada por

5.05.0

*0119.03

4

=

=

D

m

D

p

C

d

C

gdk

y su valor, de acuerdo con valores tpicos para CD( del orden de 0.44) y dm( del orden de100 micras), se toma entre 0.157 y 0.167 (5)

El significado de las variables en las ecuaciones (3.1) - (3.7) y sus respectivas unidadesprcticas se dan a continuacin:

CD: Coeficiente de arrastre, adimensional

Fa: Fuerza de arrastre, Lbf.f: Densidad del fluido en el que est suspendida la partcula, lbm/pie

3dp: Dimetro de la partcula, piesFg: Fuerza debida a la gravedad

p: Densidad de la partcula, lbm/pie3

g: Aceleracin de la gravedad, 32,2 pies/s2dm: Dimetro de la partcula, m ( 1m=1/304800 pies)NRe: Nmero de Reynoldsv: Velocidad de la partcula en el fluido en el cual est suspendida, pies/s


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27

: viscosidad del fluido en el que est suspendida la partcula, cp (1cP = 6.7137 *10-4Lbm./pie.s)

El valor de CD, cuando se trata de flujo turbulento se puede calcular usando lasecuaciones (3.3) y (3.7) y aplicando un procedimiento de ensayo y error de la siguientemanera:

Se supone CD= 1 Se calcula v de (3.7) Se calcula NRe Se calcula CDde (3.3) Se comparan valores supuesto y calculado de CD, si no son iguales se repite el

procedimiento tomando como valor supuesto el calculado.

3.9.2-. Dimensionamiento de Separadores Bifsicos.

En el dimensionamiento de separadores bifsicos hay que tener en cuenta dos procesos:el asentamiento de las partculas de lquido atrapadas en el gas y la retencin del lquidopara que las burbujas de gas puedan escapar de ste.

Separadores Horizontales

Asentamiento. La velocidad del gas en el separador se puede expresar como:

Aqv gg =

El tiempo que debe permanecer el gas en el recipiente es el requerido para recorrer lalongitud efectiva del separador o sea

g

eff

rgv

Lt =

y tambin debe ser igual l tiempo requerido para que una partcula de lquido suspendidaen la fase gaseosa, caiga desde la parte superior del tubo hasta la interfase, o sea:

g

eff

t v

L

v

d=

2

y usando para vtla ecuacin (3.7) y unidades prcticas queda:


28/61

28

144

1*

2*4

8640010***

5207,14

0119,0

)12*2(

2

6

2

1

d

qP

ZT

L

C

d

d

CN

eff

D

m

f

fp

=

y de aqu despejando dLeff queda:

2/1

**420

=

m

D

fp

f

effd

Cq

P

ZTdL

CN

(3.8)

donde:

d: Dimetro del separador, pulg.qCN: Tasa volumtrica de gas, MPCN/DLeff: Longitud efectiva del separador, piesP: Presin de operacin del separador, Lpca.T: Temperatura de operacin del separador, R

La ecuacin (3.8) se presenta en forma simplificada como (1)

420 * CNeff

q ZTdL K

P= (3.8a)

donde K es una constante que depende de las caractersticas del gas y el petrleo a lascondiciones de operacin del separador y del coeficiente de arrastre; de acuerdo con laecuacin (3.8) esta dada por

5.0

=

fP

f

m

D

d

CK

Para fluidos tpicos, condiciones de presin y temperatura de operacin tambin tpicas ypara un dimetro de partcula de 100 micras el valor promedio de K podra tomarse como0.25. La figura 4.10 de la referencia 1 permite obtener el valor de K para dm = 10 y

conociendo la gravedad API del petrleo y especfica del gas al igual que las condicionesde operacin del separador.

Retencin. La retencin del lquido en el recipiente est gobernada por la siguienteecuacin.

L

L

rLq

Vt =


29/61

29

effL Ld

V *

2

1*

4

2

= , o sea que

L

effrLq

Ld

t1

**2

1*

4

2

=

y despejando d2Leff y usando unidades prcticas se tiene finalmente:

615,5

86400*1*

1**

144

1*

860*

2

L

effrLq

Ld

t

=

7,02 LrL

eff qtLd = (3.9)

donde:

qL: Tasa volumtrica de lquido, BPDtrL: Tiempo de retencin del lquido, min.

La longitud real del separador difiere de Leff, pues debe incluir el espacio requerido parainstalar los accesorios internos del recipiente. La longitud total del recipiente serepresenta por Lssy es la longitud que hay entre las dos costuras en los extremos.

Cuando Leffse calcula de (3.8), Lssse calcula de

12

dLL effss += (3.10)

y cuando Leffse calcula de (3.9), Lssse calcula de

effss LL3

4= (3.11)

En general, se usa la ecuacin (3.10) cuando la relacin gas-lquido es alta y la ecuacin

(3.11) se puede usar cuando es ms importante la cantidad de lquido.

Los valore escogidos para d y Leffno solo deben cumplir con las ecuaciones (3.8) y (3.9)sino que adems deben cumplir con un parmetro conocido como relacin de esbeltez(RE); este parmetro exige que la diferencia entre dimetro y longitud no sea muy grandey adems que el dimetro no sea muy pequeo para reducir la posibilidad de que el gas alestablecer contacto con el lquido arrastre gotas de ste debido a la velocidad. Larelacin de esbeltez se define por


30/61

30

.)lg(

)(12

pud

PiesLRE ss= (3.12)

y para el caso de separadores horizontales debe estar entre 3 y 5.

El procedimiento para disear un separador horizontal bifsico es el siguiente, ver figura18:

Se grafica Leffvs. d, de acuerdo con la ecuacin (3.8)

Se suponen valores de trL y para cada uno se grafica Leff vs. d, de acuerdo con laecuacin (3.9)

Para diferentes dimetros, y de acuerdo con las sugerencias para calcular Lss,

ecuaciones (3.10) y (3.11), se calcula Lss. Se grafican las lneas correspondientes a las relaciones de esbeltez de 3 y 5. La zona del grfico por encima simultneamente de la curva de asentamiento,

obtenida con la ecuacin (3.8), y de la curva obtenida con el tiempo de retencinseleccionado y usando la ecuacin (3.9) y entre las lneas correspondientes a lasrelaciones de esbeltez dan soluciones que cumplen con el asentamiento, la relacin deesbeltez y el tiempo de retencin.

La grfica que se muestra en la figura 18 indica que si la curva para el tiempo deretencin que se muestra fue obtenida con el valor mnimo que debe tener el tiempo deretencin, cualquier solucin que se ubique en la zona sombreada se puede escoger.

Separadores Verticales.

Asentamiento

144

1*

486400*520

10*7,14 26 dq

P

ZT

A

qv CN

g

g

==

2

1

**0119,0

=

D

m

f

fp

C

d

y de aqu se puede despejar d as

1

22 5041* * *

C N

f D

P f m

C ZTd q

d P

=

(3.13)


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31

Figua 18-. Grfica para Seleccionar el Tamao de un Separador Horizontal

el dimetro que se muestra en la ecuacin (3.13) es el mnimo que debe tener elseparador y por tanto el separador a usar debe tener, por lo menos, el dimetro quecalcule aplicando esta ecuacin.

Retencin del lquido:

hd

Vq

Vt

L

L

L

rL *4

,2

==

y usando unidades prcticas:

12*

615,5

86400*

1*

144

1*

460*

2 h

q

dt

L

Lr

=

y despejando d2h

12,0

2 LrL qthd = (3.14)


32/61

32

La altura calculada con la ecuacin (3.14) es la altura que debe tener el colchn de lquidoen el separador y la longitud total del mismo debe cumplir con las siguientes

recomendaciones:

La salida del lquido del recipiente debe estar por lo menos 4 pulgadas por encima dela costura inferior.

La altura del nivel de lquido debe estar por lo menos 24 pulgadas debajo de laentrada de fluido al recipiente.

La entrada de fluido debe estar a un dimetro ms 6 pulgadas o por lo menos 42pulgadas por debajo del extractor de humedad.

La longitud del extractor de humedad debe ser por lo menos 6 pulgadas.

De acuerdo con las recomendaciones anteriores, la longitud costura-costura (Lss) delrecipiente va a estar dada por:

)(12

76mnimo

hLss

+= (3.15)

12

40++=

dh (3.16)

Se utiliza la ecuacin que de mayor valor para Lss.

En cuanto a la relacin de esbeltez, sta debe estar entre 3 y 4.

Procedimiento de diseo (ver figura 19)

Se calcula el dimetro mnimo que debe tener el separador (ecuacin (3.13)). Se toma un tiempo de retencin. 1

o Para varios dimetros se calcula h de (3.14).o Para cada h se calcula Lssde (3.15) o (3.16).

Se toman otros tiempos de retencin y se repiten para cada uno los dos pasosanteriores

Se grafica dimetro vs Lssteniendo como parmetro tiempo de retencin. Se traza en el mismo grfico la lnea correspondiente a relaciones de esbeltez 3 y 4 y

la horizontal correspondiente al dimetro mnimo calculado en el primer paso con laecuacin (3.13). Esto nos define la zona donde debe estar la combinacin de d y h

que se vaya a escoger. La seleccin que se haga debe ser tal que el tiempo deretencin no sea demasiado alto y que para ese tiempo de retencin, el dimetrosea mayor o igual que el mnimo calculado.

La figura 19 muestra que la seleccin debe hacerse dentro de la zona sombreada paraque se cumpla con las condiciones de asentamiento, retencin y relacin de esbeltez.


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33

Figura 19-. Grfico para Seleccionar el Tamao de un Separador Vertical.

Ejemplo 3.1-.

Se requiere dimensionar un separador horizontal para manejar la siguiente produccin:

RGP=488 PCN/BN T=268F=728 R

El fluido llega a superficie a 1000 Lpca. y el separador va a trabajar a 100 Lpca. Laspropiedades de el fluido que llega a superficie y de los fluidos que se separan en elseparador se dan en la siguiente tabla

Total Vapor LquidoTasa (Lb.mol/d) 100000 37500 62500Presin (Lpca.) 1000 100 100Temperatura (F) 300 268 268Densidad(Lbm/Pie3)

34.8 0.632 38.3

Peso Molecular 89.7 46.9 115.3

Suponga un tiempo de retencin para el lquido de 3 minutos y un dimetro para lapartcula de lquido suspendida en fase vapor de 100 micras (100/304800=3.2808*10-4pies)

Solucin:

Primero se deben calcular los volmenes de lquido y gas que maneja el separador.


34/61

34

En el separador hay 37500 moles de vapor las cuales a condiciones normales ocupan37500*379=14212500 PCN = 14.2125 MPCN= qgCN.Esta es la cantidad de gas que debe

manejar por da el separador.

La tasa de lquido que debe manejar el separador es

BPDMWn

qL

LLL 33509

615.5*3.38

3.113*62500*===

Estas tasas de produccin son demasiado altas para manejarlas con un solo separadorpor lo tanto se supondr que para manejar esta produccin se usarn seis separadorescuyo dimetro mximo puede ser 84 pulgadas y el mnimo 8 pulgadas; o sea que cadaseparador manejar 33509/6=5584.83 BPD de lquido y 14212500/6=2368750 PCN de

gas. Se har el diseo suponiendo tasas de 5600 BPD de lquido y 2.369 MPCN de gas.Se har el diseo para un solo separador teniendo en cuenta que para manejar toda laproduccin del campo se necesitan seis separadores idnticos al diseado.

Clculo de viscosidad y del factor Z del gas. Estos valores se necesitan para poderaplicar la ecuacin de asentamiento.

Para la viscosidad del gas se usa la ecuacin de Lee y Gonzalez, (ver referencia 11)YgeKg

= *

TMW

TMWK

++

+

=

19209

*)02,04,9(*10 5,14=

( )

011.07289.46*19209

728*)9.46*02,04,9(*105,14

=++

+

X = 3.5 + 986/T + 0,01 MW= 3.5+986/728+0.01*46.9=5.3234

Y = 2,4 - 0,2 X = 2.4 0.2*5.3234=1.3353

( ) ( )

( )33

3 /0101.04.62

632.0

4.62

// cmg

pielbmcmg

g

g ===

( ) cPeKYg

g0112.00101.0*3234.5exp*011.0* 3353.1 ===

=0.0112 cP*6.7137*10-4

Lbm/(pie*seg)/cP= 7.5385*10-6

Lbm/(pie.s)

Para calcular el factor Z se requieren conocer las condiciones seudo crticas del gas cuyagravedad especfica es

617.129

9.46===

a

g

gMW

MW


35/61

35

con la gravedad especfica del gas y usando las ecuaciones que presenta para ello lareferencia 11, se pueden calcular la presin y la temperatura seudocrticas

respectivamente

5257.535617.1*6.3617.1*0.1318.7566.30.1318.756 22 === ggcsP Lpca

. RsT ggC =+=+= 8545.540617.1*0.74617.1*5.3492.1690.745.3492.16922

Las condiciones seudorreducidas son

1867.05257.535

100===

C

rsP

PsP 3460.1

8545.540

728===

C

rsT

TsT

con estos valores y del grfico de Standing - Katz se obtiene Z=0.98.

Clculo del coeficiente de arrastre

Para calcular el coeficiente de arrastre se debe recurrir al proceso de ensayo y errordescrito en la seccin 3.8.1 y el cual requiere las ecuaciones de velocidad terminal(ecuacin (3.7)), de coeficiente de arrastre CD(ecuacin (3.3)) y de nmero de Reynolds.

El procedimiento seguido fue el siguienteSe supuso inicialmente CD=1.

Con la ecuacin (3.7) se calcul v

2

1

*0119,0

=

D

m

f

fp

C

dv

spiesv /9186.01

100*

632.0

632.03.380119,0

2

1

=

=

con el valor de v se calcula el nmero de Reynolds para la partcula suspendida de

1655.2510*5385.7

304800/100*9186.0*632.06Re ===

Pg dv

N

con el valor de NRese calcula CDde

189179.134.01655.25

3

1655.25

2434,0

3245.0

2

1

ReRe

=++=++=NN

CD

como el valor calculado para CD es diferente del valor supuesto, se toma este valorcalculado como el nuevo valor supuesto y se repite el proceso


36/61

36

spiesv /6677.08917.1100*

632.0632.03.380119,0 2

1

=

=

3653.1810*5385.7

304800/100*6677.0*632.06Re

==

N

8917.14013.234.03653.18

3

3653.18

245.0

=++=DC

El proceso debe continuar hasta cuando el valor supuesto para CDsea igual al calculado ysiguiendo este procedimiento se encontr finalmente para CDun valor de 2.642.

La ecuacin de asentamiento para un separador horizontal es la ecuacin (3.8)

11 2

420 * *p f D

eff CN

f m

CZTdL q

P d

=

11 238.3 0.6320.98*728 2.642

420 *2.369 * 149.4445100 0.632 100

f

= =

Con esta expresin se pueden calcular valores de Lefvariando dimetros desde 8 hasta84 pulgadas, estos valores se observan en la columna (1) de la tabla 1

La ecuacin de retencin es la ecuacin (3.9)

rlrlLrL

eff ttqt

Ld *8000*7.0

5600

7,0

2 ===

de la expresin anterior y para diferentes tiempos de retencin se puede calcular Lef paradimetros desde 8 hasta 84 pulgadas. Se tomaron tiempos de retencin de 1,3 y 5minutos y los valores obtenidos para Lefse muestran en las columnas (2)-(4) de la tabla 1.

Relacin de esbeltez.

La expresin usada para la longitud costura costura Lssfue la ecuacin (3.11), pues deacuerdo con los valores de Lefobtenidos con las ecuaciones de asentamiento y retencinlos mayores valores para Lefson los que da la ecuacin retencin. Por tanto

efss LL3

4=

y la relacin de esbeltez ser entonces


37/61

37

d

L

dLRE

ef

ss

== 3

4*12

*12

de donde

( )16

* d

RELef =

con esta relacin se calcularon valores de Lef usando valores de RE de 3 y 5 y paradimetros entre 8 y 84 pulgadas. Los resultados se muestran en las columnas (5) y (6) dela tabla 1 .

Finalmente se grafic d vs. Lef para asentamiento, los diferentes tiempos de retencin ylos diferentes valores de relacin de esbeltez; los grficos se muestran en la figura 19. Deacuerdo con esta figura se tendran las siguientes soluciones extremas de acuerdo con eltiempo de retencin y la relacin de esbeltez:

Tabla 1-. Clculos para el Dimensionamiento del Separador del Ejemplo 3.1

Tabla 2-. Soluciones para el Separador del Problema 3.1

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

D

(Pulgs.)

Lef(Asent)

(pies)

Lef(ret 1)

(pies)

Lef (ret 4)

(piesn)

Lef (ret 5)

(pies)

Lef(RE=3)

(pies)

Lef(RE=5)

(pies)8 18,6805 124,661406 498,6456 623,3070 1,5 2,510 14,94445 79,7833 319,1332 398,9165 1,875 3,125

12 12,4537 55,4050694 221,6202 277,0253 2,25 3,75

24 6,2268 13,8512674 55,4050 69,25633 4,5 7,5

36 4,1512 6,15611883 24,6244 30,7805 6,75 11,25

48 3,1134 3,4628 13,8513 17,31408 9 15

60 2,4907 2,21620278 8,8648 11,0810 11,25 18,75

72 2,0756 1,5390 6,1561 7,6951 13,5 22,5

84 1,7791 1,1307157 4,5229 5,6536 15,75 26,25

RETiempo de Retencin(min.) 3 5

1 36 *7 30 * 124 60 * 12 48 *155 60 *12 48 *15


38/61

38


39/61

39

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80

Leff

d

Asentamiento

trl=1

trl=4

trl=5

RE=3

RE=5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250

Lef

Lef (r et 1min)

Lef (ret 4)

Lef (ret 5)

Lef (Asent.)

Lef (RE=3)

Lef (RE=5)

Figura 20-. Grfico de d vs. Lefpara el Problema 3.1


40/61

40

Problema 3.2-.

Dimensionamiento de un Separador Vertical.

3.9.3-. Dimensionamiento de Separadores Trifsicos.

En el separador trifsico se deben tener en cuenta los siguientes aspectos.

Asentamiento de las partculas de lquido (petrleo) en la fase gaseosa. Asentamiento de las partculas de agua en la fase petrleo. Retencin de la fase lquida.

En el separador trifsico es importante que la fase aceite salga tan limpia como seaposible, por ello se tiene en cuenta el asentamiento de las partculas de agua en la fasepetrleo y no al contrario. Generalmente, el tiempo de retencin que se fija es el delpetrleo y para el agua se considera que es el mismo.

Separadores Horizontales.

Asentamiento de partculas de lquido en fase gaseosa:

La ecuacin a usar en este caso es la misma ecuacin obtenida para separadoresbifsicos horizontales (ecuacin (3.8)).

2

11

*420

=

m

D

f

fp

CNeffd

Cq

P

ZTdL

(3.8)

Asentamiento de partculas de agua en fase petrleo. Como se trata de partculassuspendidas en fase lquida, se usa la ecuacin (3.6) para la velocidad terminal

twro v

ho

t =

esta ecuacin cuando se lleva a unidades prcticas queda como:

( )( )fpm

o

orodpu

piepuh

m

st

=

2810*87,2*

lg12

1*lg

160*(min)

de donde se puede despejar hoquedando:


41/61

41

=

o

fp

mroo dth

*10*066,2 25 (3.17)

Retencin de fase lquida:

Suponiendo que el lquido ocupa la mitad del separador:

wL

w

eff

w

w

rWqA

AL

d

q

Vt

1***

2*4

2

==

oL

O

effro

qA

AL

d

q

Vt

O

O1

**

2*4

2

==

donde:

AO, Aw y AL, son las reas seccionales del separador ocupadas por petrleo, agua ylquido; qoy qwson las tasas de petrleo y agua que maneja el separador, y t ro y trwson lostiempos de retencin de petrleo y agua en el separador, que normalmente son iguales.

De las expresiones anteriores se obtiene:

o

eff

ro

L

O

w

eff

r

L

w q

Ld

t

A

Aq

Ld

t

A

Aw

22

8*,*

8*

==

Adems, como 1=+L

O

L

w

A

A

A

Aentonces:

( )wrwOroeff

qtqtLd

+=

2

81

y utilizando unidades prcticas:

+=

86400615,5**60*

86400615,5**60**

144

812 wrWoro

eff

qtqt

Ld

de donde se puede despejar Leffd2

( )wrwOroeff qtqtLd += 43,12 (3.18)

Las ecuaciones (3.8), (3.17) y (3.18) definen las condiciones que deben cumplir lasdimensiones del separador, pero hay que tener en cuenta que la ecuacin (3.17) define el


42/61

42

espesor del colchn de aceite y no el dimetro del recipiente, el cual debe ser tal que sepuede tener una fase aceite de un espesor hoy que pueda manejar una tasa qwde agua.

Para encontrar el dimetro de recipiente requerido se procede de la siguiente manera:

Se obtiene una expresin paraA

Aw as:

q

Vt,

w

w

rw

w

effw

rq

LA

q

Vt ===

eff

wrw

wL

qtA =

yeff

oro

OL

qtA =

El rea total del tubo (suponiendo que la mitad es disponible para lquido) es igual a:

( )wO AAA += 2

( )

2rwwro

eff

tqtqL o

+=

y por tanto

( )

2*

rwWro

eff

eff

wrww

tqtq

L

L

qt

A

A

O+

=

( )

2 rwwro

rww

tqtq

tq

O+

= (3.19)

la cual, en unidades prcticas toma la misma forma.

El dimetro que puede tener el recipiente debe ser tal que se cumplan las ecuaciones(3.17) y (3.19).

Tomando una seccin transversal del recipiente se tiene

ho Ro

hwAw

r

D/2


43/61

43

en donde se puede ver (suponiendo que la mitad del tubo es para almacenamiento delquido)

( ) 2*,2*

+=+=

A

A

A

A

A

AAAA wO

wO

4*2

4

22

1

22 d

d

hArcsenhh

dA o

ooO

+

=

y

4*2

4

*4

4

1 2

2

2

1

22

2

d

d

h

d

Arcsenhh

d

dA

A ooo

O

+

=

+

=

d

hArcsen

d

h

d

hd ooo 21

4

4 21

4

4

4

22

+

=

d

hArcsen

d

h

d

hooo 21

2

4 21

42

+

=

d

hArcsen

d

h

d

h ooo 21

4

142

1

2

o sea que finalmente se tiene:

A

A

d

hArcsen

d

h

d

h wooo 22

4

1

4

181

5.02

+

+

=

(3.20)

La ecuacin (3.20) a pesar de tener como nica variabled

ho no tiene una solucin

directa. Una forma de resolver el problema de encontrar d

ho es asignando valores a d

ho a

la ecuacin (3.20), lo cual permitira despejarA

AW . Luego se procede a graficard

ho

vsA

Aw y se obtiene un grfico como el de la figura 21.


44/61

44

Con este grfico una vez conocido el valor de

A

AW de la ecuacin (19) se va a l y se

obtiened

ho del cual se puede despejar d.

El dimetro a escoger ser mximo el valor de d hallado en el paso tres y la longitud ydimetro del recipiente debe adems cumplir con las ecuaciones (3.8) y (3.18). Lalongitud costura a costura Lss, se calcula usando las ecuaciones (3.10) u (3.11)dependiendo si es ms importante la capacidad del gas que la del lquido.

La relacin de esbeltez tambin se debe tener en cuenta y para este caso estar entre 3 y5.

El procedimiento para disear un separador trifsico horizontal es el siguiente:

Se selecciona un troy un trw Se calcula ho)mx

Se calculaA

Aw

ConA

Aw y ho)mxse obtiene de dmx


45/61

45

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

A w / A

Figura 21-. Grfico de ho/d vs.A

W/A para un Separador Trifsico

Se grafica d vs. Leff de acuerdo con las ecuaciones (3.8) y (3.18). Se calcula Lssusando las ecuaciones (3.10) o (3.11) y aplicando el mismo criterio para

escoger una u otra.

Se grafica las lneas correspondientes a las relaciones de esbeltez de 3 y 5. Se traza la horizontal de dmx. La zona comprendida entre las dos lneas de relacin de esbeltez, la lnea de dmxy a

la derecha de las curvas obtenidas con las ecuaciones (3.8) y (3.18) permite escogersoluciones para el separador buscado. Obviamente por razones de costos lassoluciones se deben escoger sobre la lnea de dmx.

La figura 22 muestra la forma que presenta el grfico.

Si no se dispone de la figura 21 el dimetro requerido se puede obtener calculando A W/Ade la ecuacin (3.19) y luego por ensayo y error se obtiene el valor de h o/d que hagacumplir la ecuacin (3.20)


46/61

46

Figura 22-. Grfico para escoger el tamao de un separador Trifsico Horizontal.

Soluciones con dimetros mayores que el calculado con este procedimiento tambinfuncionaran desde el punto de vista de calidad de la separacin pues los fluidospermaneceran en el recipiente un tiempo mayor que el establecido, sin embargo noseran recomendables desde el punto de vista econmico; se podra optar por estassoluciones cuando se quiere sobredisear previendo requerimientos de capacidades

mayores de los recipientes en el futuro.

Ejemplo 3.3 -. Dimensionamiento de un Separador Horizontal Trifsico

Encontrar el tamao del separador horizontal trifsico que podra manejar la siguienteproduccin

qo= 8500 BNPD qg= 4.54 MPCNPD qw= 4200 BPD

El separador trabajar a 40 Lpca. y 80F y los flui dos producidos tienen las siguientescaractersticas:

o= 0.86 g= 0.701 w= 1.05

dmo= 100 m dmw= 400 m

Solucin.

i)-. La tasa de petrleo se debe tener a condiciones de operacin del separador, pues estdada a condiciones normales, y para ello se requiere el factor Bo a condiciones deoperacin o sea 40 Lpca. y 80F; para ello se usan las correlaciones que presenta lareferencia (11)


47/61

47

2.15 *)10*12(976.0Bo

CB +=

( ) )(*25.1/* 5.0 FTRC ogsB +=

( )( )

83.0/1

*0125.0*00091.010*

=

API

Pb

gsFT

CR

4.12.18

+= P

CPb

Reemplazando valores en las anteriores ecuaciones se tiene

598.34.12.18

404.1

2.18=+=+=

PCPb

( )( )

( ) BNPCN

FT

CR

API

Pb

gs

/65.6035.33*0125.080*00091.010

598.3*701.0

*0125.0*00091.010*

83.0/1

83.0/1

=

=

=

La gravedad API usada en la ecuacin anterior se calcul de

035.335.13186.0

5.1415.131

5.141

0

===

API

( ) 004.10680*25.1)86.0/701.0(*65.6)(*25.1/* 5.05.0 =+=+= FTRC ogsB

BNBCB Bo /008.1004.106*10*12*975.0*)10*12(976.02.152.15 ==+=

Como era de esperarse el factor volumtrico para este crudo a 40 Lpca y 80F es muy

prximo a 1 por lo tanto se puede hacer el diseo del recipiente tomando como volumende petrleo a manejar el volumen dado a condiciones normales, o sea 8500 barriles.

ii)-. Se debe ahora calcular las viscosidades del gas y del petrleo para luego calcular lasvelocidades de asentamiento de las partculas de petrleo en fase vapor y de agua enfase petrleo respectivamente. Nuevamente se usan las correlaciones respectivas queaparecen en la referencia (11).

Para el caso del gas


48/61

48

YgeKg

= *

TMW

TMWK

++

+=

19209

*)02,04,9(*10 5,14=

( )0108.0

540701.0*29*19209

540*)701.0*29*02,04,9(*105,14

=++

+

X = 3.5 + 986/T + 0,01 MW= 3.5+986/540+0.01*29*0.701=5.5292

Y = 2,4 - 0,2 X = 2.4 0.2*5.5292=1.2942

Suponiendo que a las condiciones de operacin del separador, 40 Lpca. y 80F, el factorZ es la unidad, la densidad del gas ser de

3/.1403.02002.0*701.0 pieLbsg ==

y por tanto la densidad del gas en g/cm3ser

( ) ( )

( )33

3 /002.04.62

1403.0

4.62

// cmg

pielbmcmg

g

g ===

La viscosidad del gas es entonces

cPeKYg

g 0108.0)0022.0(*5292.5exp(*0108.0*2942.1 ===

Para el caso del petrleo

B

oDo A =

( )FTAPIoD =+ log*5644.0*025086.08653.1)1log(log

( ) 0375.080log*5644.0035.33*025086.08653.1)1log(log ==+ FoD

( ) cPOD 2648.710375.01010 ==

( ) ( ) 9669.010065.6*71.10100*71.10 515.0515.0 =+=+= sRA

( ) ( ) 9856.015065.6*44.5150*44.5 338.0338.0 =+=+= sRB

cPA BoDo

83.62648.7*9669.0 9856.0 ===

iii)-. Se puede calcular las velocidades de las partculas de aceite en gas y deagua en aceite; para las primeras se usa la ecuacin (3.7) y para el valor de CDse


49/61

49

sigui el mismo procedimiento de ensayo y error del ejemplo 3.1 y se encontr unvalor de 5.23

./0108.123.5

100*

1403.0

1403.064.53*0119.0*0119,0

2

1

spiesC

dv

D

m

f

fP =

=

=

Para las partculas de agua en petrleo se usa la ecuacin (3.6)

spiesdv fp

p /0078.083.6

66.5352.65*400*10*87.210*87,2 2828 =

=

=

iv)-. El proceso de retencin del gas debe cumplir con la ecuacin (3.8)

2/1

**420

=

m

D

fp

f

effd

Cq

P

ZTdL

CN

967.302100

642.2*

1403.066.53

1403.054.4*

40

540*1420

2/1

=

=

Supongamos un tiempo de retencin de 3 minutos para el petrleo y el agua.

v)-. El proceso de retencin del petrleo para que cumpla con el asentamiento de laspartculas de agua debe cumplir con la ecuacin (3.17)

adaspudtho

fp

mroolg22.17

83.6

66.5352.65*400*3*10*066.2*10*066,2 2525 =

=

=

o sea que el colchn de aceite debe tener un espesor de 4.036 pulgadas para que sepuedan separar las partculas de agua.

vi)-. Para garantizar que el petrleo y el agua permanezcan 3 minutos en el recipiente lasdimensiones de este deben cumplir con la ecuacin (3.18)

( ) ( ) 544834200*38500*3*43.143,12 =+=+= wrwOroeff qtqtLd

vii)-. Suponiendo que la mitad de la seccin transversal del tubo est ocupada por lquido,la relacin entre el rea ocupada por agua y el rea total esta dada por la ecuacin (3.19)


50/61

50

( )

1653.0

)42008500(*3*2

3*4200

2

=

+

=

+

=rwwro

rwww

tqtq

tq

A

A

O

viii)-. Teniendo en cuenta ahora que el lquido ocupa la mitad del tubo se debe cumplir laecuacin (3.20)

A

A

d

hArcsen

d

h

d

h wooo 22

4

1

4

181

5.02

+

+

=

y reemplazando el valor de Aw/A obtenido anteriormente se tiene la siguiente ecuacinque permite obtener el valor de ho/d

+

=

d

hArcsen

d

h

d

h ooo 2

4

1

4

186694.0

5.02

Resolviendo la ecuacin anterior se encuentra para ho/d un valor de 0.28, y recordando elvalor para h0se tiene que d=17.22/.28=61.5 pulgadas.

ix)-. Este es el dimetro mximo que puede tener el separador para que las partculas deagua se puedan separar de la fase petrleo y con base en este dimetro se debe escogerla longitud del recipiente de tal forma que tambin cumpla con la condicin de retencin

del gas ecuacin (3.8) y de retencin de lquidos ecuacin (3.18).

De acuerdo con la ecuacin (3.8) para un dimetro de 61.5 pulgadas la longitud delrecipiente debe ser

93.45.61

967.302967.302* === efef LLd

y de acuerdo con la ecuacin (3.18) la longitud del recipiente debe ser

piesLLd efef 4.14

)5.61(

5448354483

2

2 ===

x)-. De acuerdo con los valores de Lefobtenidos con las dos ecuaciones anteriores se veque el proceso que domina la seleccin de las dimensiones del separador es el deretencin de lquido ( ecuacin (3.18)) y por lo tanto un separador de 61.5 pulgadas dedimetro y 14.4 pies de longitud efectiva puede manejar la produccin propuesta. Lalongitud real del recipiente, Lss , se debe calcular teniendo en cuenta que le restriccindominante es la de retencin de lquido, o sea se debe calcular usando la ecuacin (3.11)


51/61

51

piesLL efss 2.194.14*

3

4

3

4===

El separador a usar deber tener un dimetro mximo de 61.5 pulgadas y 19.2 pies. Parallevarlo a dimensiones comerciales se podra decir que el separador requerido es de 5pies de dimetro (60 pulgadas) y 20 pies de longitud. Cualquier solucin con un dimetromenor y una longitud mayor que cumpla con la restriccin de retencin de lquido sepuede usar, pero no se puede usar una solucin de dimetro mayor y longitud menorporque a pesar de cumplir con la retencin de lquido no permitir que las partculas deagua alcancen a separarse de la fase petrleo.

Separadores Verticales.

Para el separador vertical los requisitos de tamao para manejar la cantidad de gas serefieren al dimetro del tubo y por tanto se aplica la misma ecuacin (3.13).

P

TZq

d

Cd CN

p

D

fp

f***5041

2

1

min2

=

(3.13)

la altura del colchn de aceite y el dimetro del separador deben ser tales que el petrleopueda quedarse en el recipiente el tiempo suficiente para que una partcula de aguapueda separarse de la fase petrleo o sea:

tw

o

O

roV

h

q

Vt O ==

O

o

O

O

q

hd

q

V*

4

2

=

y en unidades prcticas queda:

( )Ow

o

O

o

pd

h

q

hd

28

2

10*87,2

*12

615,5*

86400*12*

144*4*

=

o sea que

( )OO

Wpd

qd

=

2

2 6690 (3.21)

Finalmente el separador debe tener volumen suficiente para manejar todo el lquido o sea:

O

O

ro

w

rwq

Vt

q

Vt W ==


52/61

52

O

O

W

W

q

hd

q

hd*

4

*

4

22

==

de donde

[ ]rwWroOwo tqtqd

hh +=+2

4

y usando unidades prcticas:

2*58,8

d

qtqthh WrwOrowo

+=+ (3.22)

donde hwy ho: son las alturas del colchn de agua y aceite respectivamente, pulgadas.

La longitud costura a costura se calcula de:

12

76++= woss

hhL

12

40+++ dhh wo (3.23)

donde d es el dimetro mnimo para capacidad del gas, pulgadas.

El procedimiento para seleccionar un separador trifsico vertical es el siguiente:

Se calcula dmin

de la ecuacin para la capacidad al gas. Se calcula el valor de d2, de la ecuacin para retencin del petrleo. Se escoge el mayor de los dimetros anteriores. Se selecciona troy trw. Se calcula ho+ hwpara varios dimetros Se calcula Lssde la ecuacin (3.23) Se seleccionan dimetros y longitudes razonables de tal manera que la relacin de

esbeltez est entre 3 y 4.

Aproximacin al Diseo de un Slug Catcher

Como ya se dijo este tipo de separadores se usan cuando la tasa de produccin delquido y gas que est llegando a superficie no es uniforme si no que la produccin llegapor baches o tapones, o en modelo de flujo que en la teora de flujo multifsico se conocecomo tipo tapn o slug. Un bache o tapn es una seccin del chorro de fluido en latubera que posee una zona donde la fase continua es lquido con burbujas dispersas degas seguida por una zona donde la fase continua es gas con gotas dispersas de lquido;esta seccin tiene una determinada longitud y en toda la tubera donde se presenta estemodelo de flujo se presentan muchos de estos baches o secciones. La figura 23 muestraun esquema de una seccin de tubera donde se presentan dos baches consecutivos,cada bache con su seccin de lquido y de gas.


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Cuando un bache est entrando al separador entra primero su tapn de lquido ymientras esto ocurre, en el separador est entrando mucho lquido y poco gas y al

contrario al entrar la seccin de gas de dicho bache est entrando, proporcionalmente,mucho gas y poco lquido; o sea que al entrar el tapn de lquido al separador el nivel deeste aumentar y al entrar la seccin de gas el nivel de lquido bajar. Adems, comotodos los baches no tienen la misma longitud el nivel mximo y mnimo de lquido serdiferente para cada bache. Miyoshi et als. (6)en un estudio hecho para el campo PrudhoeBay muestra que dichos baches se pueden agrupar por paquetes que son repetitivos encuanto al nmero de baches y en los cuales la distribucin de longitud de los baches eslogartmica normal; los autores presentan correlaciones para encontrar la mxima longitudde bache dentro del paquete y para calcular la fraccin de lquido de la zona de cadabache donde la fase continua es lquido y donde la fase continua es gas, llamadas ysLyysbrespectivamente.

De acuerdo con lo anterior en un separador que maneja este tipo de produccin el nivelde lquido est variando permanentemente y peridicamente alcanzar un valor mximo yun valor mnimo.

Adicionalmente este tipo de produccin presenta la presencia de espumas y por tanto enel separador habr una zona de espumas.

En consecuencia para el dimensionamiento de un separdor tipo Slug Catcher se debeanalizar el comportamiento del nivel de lquido con el tiempo y tener en cuenta lapresencia de la zona de espumas, esto es lo que se conoce como el mtodo dinmicopara el diseo. Miyoshi et als.(6) tambin presentan una aproximacin esttica para dichodimensionamiento y esta ser la que se presentar en el presente trabajo.

El procedimiento esttico de diseo tiene en cuenta lo siguiente que la seccin transversaldel recipiente, el cual es horizontal, presenta las siguientes zonas:

Figura 23-. Esquema de dos baches consecutivos en un tramo de la tubera deentrada a un Slug Catcher. Una zona para gas que se obtiene conociendo la tasa promedia de gas y la

velocidad permisible del gas calculada con las ecuaciones (3.7).

Bache i+1 Bache i

GasLiquido

Ls,i+1 Ls,i


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Una zona de lquido que se obtiene teniendo en cuenta la tasa promedia deproduccin de lquido y el tiempo de retencin.

Una zona de surgencia para tener en cuenta la variacin del nivel de lquido, la cualdepende de las velocidades de las fases lquido y gas, la fraccin que es lquido enel tapn de lquido de un bache dado y del tiempo de residencia del lquido en elrecipiente.

Una zona de espuma cuyo tamao depende de las propiedades de las fases y latasa de produccin de petrleo.

Los pasos son los siguientes:

i-. Se toma un recipiente cuyas dimensiones de longitud y dimetro cumplan con la

relacin de esbeltez.

ii-. Se calcula el rea de la zona de gas de

( )[ ] 5.0/ ggpg

t

g

g

q

v

qA

== (3.24)

iii-. Se calcula el rea de retencin de lquido de

ef

rll

lL

tq

A

60**

= (3.25)

iv-. Se calcula el volumen de surgencia con la correlacin de Prudhoe Bay

( ) LPlslglsurge

tAvyvvV ** += (3.26)

y con este volumen de surgencia y la longitud del recipiente se calcula el rea de la zonade surgencia de

ef

surgesurge

LVA = (3.27)

v-. Se calcula el rea de la zona de espuma de

surgelgPf AAAAA ++= (3.28)

y con este valor se calcula el espesor de la zona de espuma, hf, como sigue


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En la figura 24 se muestran las reas de las zonas de gas, de retencin de lquido, desurgencia y de espuma y con base en ella se pueden plantear las siguientes ecuaciones

( ) ( ) ( )4//4/*4/*/24/

4*

2

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Capitulo 3 - Separadores