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1 Diseo de Instalaciones de Produccin
2 Diseo de Instalaciones de Produccin
NDICE
INTRODUCCIN ...................................................................................... 3
OBJETIVO GENERAL ................................................................................. 4
1. RECOLECCIN DE LA PRODUCCIN, MUESTREO Y ANLISIS DE LOS
FLUIDOS Y CALIDAD DE LOS FLUIDOS PRODUCIDOS .......................... 5
2. ECUACIN DE ESTADO .................................................................. 18
3. EQUILIBRIO LQUIDO VAPOR ....................................................... 28
4. SEPARACIN DE LOS FLUIDOS PRODUCIDOS ................................... 59
5. TRATAMIENTO DE CRUDO .............................................................. 87
6. ESTABILIZACIN DE CRUDO ........................................................ 104
7. ALMACENAMIENTO DE CRUDO ...................................................... 120
8. MEDICIN DE HIDROCARBUROS ................................................... 127
9. TRANSPORTE DE CRUDO .............................................................. 146
10. ACONDICIONAMIENTO DE GAS ..................................................... 156
11. BOMBEO Y COMPRESIN .............................................................. 169
12. AUTOMATIZACIN Y CONTROL ..................................................... 188
13. INSTALACIONES DE PRODUCCIN MARINAS .................................. 198
CONCLUSIONES .................................................................................. 209
ANEXOS ............................................................................................. 210
BIBLIOGRAFA..................................................................................... 233
3 Diseo de Instalaciones de Produccin
INTRODUCCIN
El presente manual es un documento de apoyo para los ingenieros que tendrn
a su cargo el Diseo de Instalaciones de Produccin de petrleo, en l se
han considerando aspectos tericos y prcticos que en combinacin con un
buen trabajo de equipo permitir desarrollar un diseo muy completo.
El saber que el crudo es una mezcla de miles de hidrocarburos, nos hace saber
que su conocimiento no es trivial, por lo que se debe partir del conocimiento
bsico para entender lo complejo que resulta.
Es fundamental el cocimiento del crudo al que se van a disear las
instalaciones de produccin, dicho conocimiento se adquiere con la toma de
muestras y anlisis de laboratorio representativas, as como una buena
caracterizacin numrica, que permita reproducir las propiedades del crudo, de
acuerdo al cambio de condiciones como son la Presin y Temperatura, entre
otros.
No existe un libro que cubra de forma integral todos los temas necesarios para
el diseo de instalaciones de produccin, por lo que si el alumno desea conocer
ms sobre un tema especfico se tendr que remitir a uno especializado.
La industria petrolera requiere cada da, de nuevas ingenieras que satisfagan
la produccin de crudos extrapesados, yacimientos relativamente fros, alto
contenido de azufre, aguas profundas, etc. Cada uno de estos diseos tendr
que ser un traje a la medida ya que cada crudo y condicin de operacin son
distintas, por lo que, ante tal reto espero que este manual llegue a ser de
utilidad.
4 Diseo de Instalaciones de Produccin
OBJETIVO GENERAL
Al trmino del curso el participante:
Aplicar los conocimientos fundamentales del diseo de instalaciones en el
rea petrolera, mediante la evaluacin de los sistemas de recoleccin,
muestreo, caracterizacin, acondicionamiento y transporte.
5 Diseo de Instalaciones de Produccin
1. RECOLECCIN DE LA PRODUCCIN, MUESTREO Y ANLISIS
DE LOS FLUIDOS Y CALIDAD DE LOS FLUIDOS PRODUCIDOS
Objetivo especfico: al trmino de la unidad, el participante ser capaz de
identificar los diferentes tipos de crudos en funcin de la calidad API, de
acuerdo a su envolvente de fases, as como los diferentes tipos de muestreos.
Recoleccin de la produccin
Para disear de forma adecuada las instalaciones superficiales de produccin,
que involucran el transporte, acondicionamiento y almacenamiento de los
hidrocarburos producidos, es fundamental la adecuada caracterizacin de los
fluidos, as como las condiciones (presin y temperatura) y ubicacin del
yacimiento (costa fuera, costa dentro, aguas someras, aguas profundas, etc.).
La recoleccin de la produccin de hidrocarburos, comienza con el traslado del
hidrocarburo desde el yacimiento hasta la superficie a travs del pozo
productor, de ah a travs de lneas de descarga es recolectado en cabezales
para su posterior ingreso a un separador, con el fin de obtener las fases aceite,
gas y agua, cada una de estas fases son acondicionadas para cumplir ciertos
parmetros para su posterior almacenamiento y/o venta, figura 1.
6 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 1. Recoleccin de hidrocarburos
Fuente: www.monografias.com/trabajos72/facilidades-superficie-industria-petrolera/facilidades-
superficie-industria-petrolera.shtm
El sistema de acondicionamiento de las fases depender principalmente de la
composicin de cada fase y de los lineamientos que debe de cumplir para su
venta, dicho acondicionamiento podr ser relativamente simple o incluir
muchos componentes, figura 2.
Figura 2. Acondicionsamiento de separacin de fases.
Fuente: Oilfield processing Vol. 2, crude oil, Manning.
7 Diseo de Instalaciones de Produccin
Muestreo y anlisis de los fluidos
El conocer las propiedades fsico-qumicas de los fluidos y sus variaciones en
funcin de la Presin-Volumen-Temperatura, son esenciales para el adecuado
diseo de las instalaciones de produccin, la forma de obtener dichas
propiedades, es mediante pruebas de laboratorio a partir de muestreos,
mismos que se describen a continuacin.
Los puntos ms comunes para muestrear los hidrocarburos son:
a) Muestreo en fondo de pozo: las muestras se toman directamente
enfrente al yacimiento con una herramienta especial, de la que baja una
bala que es sumergida en el seno del lquido, tomando la muestra a
condiciones de presin y temperatura del yacimiento.
b) Muestras del separador: se toman muestras de las fases separadas
lquido y aceite, y con el modelado de una recombinacin se obtiene el
crudo original.
c) Muestra del cabezal del pozo: se toma la muestra directamente en el
cabezal del pozo, este muestreo est limitado a que se tenga fluido
monofsico.
Se recomienda tomar como mnimo tres muestras, con el fin de tener muestra
comparativa en caso de tener que aclarar algn error.
Para los hidrocarburos lquidos normalmente se realizan los siguientes anlisis
de laboratorio:
Anlisis PVT: conjunto de pruebas de laboratorio:
a) Composicin de la muestra del fluido: por cromatografa y destilacin,
para gases slo aplica cromatografa (C1 al C11; a veces al C6+ o C7+) o
por destilacin fraccionada.
8 Diseo de Instalaciones de Produccin
b) Expansin a Composicin Constante: es una prueba de liberacin
instantnea donde la muestra original es sometida a un proceso de
expansin disminuyendo la presin, a composicin y temperatura
constante (Temperatura de yacimiento, Ty). El gas liberado se mantiene
en contacto con el crudo. Con esta prueba se determina la presin de
burbuja (Pb), figura 3.
Figura 3.Expansin a composicin constante
Fuente: PVT And Phase behaviour of petroleum reservoir fluids, Ali Danesh.
c) Liberacin Diferencial Isotrmica: la muestra es sometida a un proceso
de expansin disminuyendo la presin y manteniendo la T constante
(Ty). El gas liberado en cada etapa se libera del contacto con el crudo, la
expansin llega hasta la presin atmosfrica, de dicha prueba se pueden
obtener las siguientes propiedades: composicin del gas liberado,
Relacin Gas Aceite (RGA), Factor volumtrico del aceite, densidad del
aceite, factor volumtrico del gas (Bg), gravedad especfica del gas
liberado (g) figura 4.
9 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 4.Liberacin diferencial isotrmica.
Fuente: PVT And Phase behaviour of petroleum reservoir fluids, Ali Danesh.
d) Prueba de separadores: son estudios de liberacin instantnea que se
hacen en un separador (en laboratorio), con la meta de cuantificar el
efecto de las condiciones de separacin (P, T) en la superficie sobre las
propiedades del crudo (Bo y Rs).
Al variar la Presin de separacin (Ps) se puede encontrar la P que
produzca la mayor cantidad de crudo en el tanque.
e) Curva de viscosidad a condiciones de yacimiento (P, T).
Existen asociaciones nacionales e internacionales que han descrito procesos
para obtener una muestra representativa:
ASTMD 4057-95: Muestreo manual del petrleo y productos del petrleo.
Esta prctica cubre el procedimiento para obtener manualmente muestras
representativas de productos del petrleo, lquidos, semilquidos o slidos, que
tengan una presin de vapor a temperatura ambiente menor de 101 kPa
(14.7psia). Si el muestreo es para la determinacin precisa de volatilidad, use
la prctica D 5842 junto con esta prctica. Para mezclado y manejo de
muestras, referirse a la Prctica D 5854.
10 Diseo de Instalaciones de Produccin
GPA 2174-93: obtencin de muestras liquidas de hidrocarburos para anlisis
por cromatografa de gas.
GPA 2166-86: obtencin de muestras de gas natural para anlisis por
cromatografa de gas.
Calidad de los fluidos producidos
Existe una clasificacin de acuerdo a American Petroleum Institute (API).
Tabla 1.
Tipo de crudo Calidad API
Ligero > 31.1
Mediano De 22.3 a 31.1
Pesado De 10 a 22.3
Extrapesado < 10
Tabla 1. Clasificacin del crudo del API.Fuente: www. American Petroleum Institute.
Una fase se define como cualquier punto homogneo de un sistema que
fsicamente es distinto y se encuentra separado de las otras partes del sistema
por fronteras.
Las fases ms importantes que se presentan en los yacimientos petroleros son
la fase lquida (aceites crudos o condensados) y fase gas (gas natural).
Las condiciones en las que estas fases existen es de suma importancia en el
estudio de la explotacin de los yacimientos permitiendo, conocer el
comportamiento del yacimiento, mejorar las prcticas de produccin y manejo
de los fluidos en superficie y optimizar la recuperacin de los hidrocarburos.
Los diagramas de fase son diagramas en donde se expresan los resultados
experimentales o modelos matemticos de estas condiciones.
Para entender el significado de los diagramas de fase de presin-temperatura,
se requiere identificar y definir cada uno de sus componentes clave, siendo
stos los siguientes (figura 5):
11 Diseo de Instalaciones de Produccin
Cricondenterma, Tct
Cricondenbara, pcb
Punto crtico, Pc
Envolvente de fase (regin de dos fases)
Lneas de calidad
Curvas de puntos de burbuja
Curvas de punto de roco
Figura 5. Diagrama de fases Presin-Temperatura.
Fuente: The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
El conocimiento del tipo del fluido que se encuentra en un yacimiento, permite
optimizar las actividades siguientes: el mtodo de muestreo de fluidos, las
caractersticas del equipo superficial para manejo y conduccin de la
produccin, los mtodos de clculo de volumen de hidrocarburos originales y
las tcnicas de estudio del comportamiento de yacimiento, as como el plan de
explotacin, incluyendo la seleccin de mtodo de recuperacin primaria,
secundaria y/o mejorada para estimar las reservas de hidrocarburos.
William D McCain clasifica el crudo en cinco categoras:
C
CRICONDEBARA
PRESIN CRTICA
YACIMIENTO
SATURADO
100%
LQUIDO
E CRICONDETERMA
PUNTO
CRTICO
YACIMIENTO
CON CASQUETE
DE GAS
REGIN DE DOS
FASES
0%
LQUIDO
TcTctA
B
D
50%
Pb
1
2
P1
Temperatura
Pres
in
12 Diseo de Instalaciones de Produccin
a) Aceite Negro
b) Aceite voltil
c) Gas y condensado
d) Gas hmedo
e) Gas seco
A continuacin se describen estas clasificaciones.
a) Aceite Negro. Estn formados por una variedad de especies qumicas que
incluyen molculas largas, pesadas y no voltiles. Cabe mencionar, que el
trmino de aceite negro no implica que dicho aceite sea necesariamente negro.
Este tipo de fluido del yacimiento se le conoce como aceite ordinario, y aceite
crudo de bajo encogimiento, figura 6.
Figura 6. Diagrama de fases tpico para Aceite Negro
The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
b) Aceite voltil. La temperatura crtica es muy cercana a la temperatura
del yacimiento, es mucho ms baja respecto a la temperatura crtica para un
ACEITE
NEGRO
PUNTO
CRTICO
SEPARADOR
Lne
a de p
unto
s de b
urbu
ja
Lnea de puntos
de rocoPresin del
yacimiento
Temperatura (F)
Pre
si
n(l
b/p
g2a
bs)
13 Diseo de Instalaciones de Produccin
aceite negro. Las curvas de calidad para el porcentaje del lquido se
encuentran regularmente espaciadas, encontrndose ms dentro del diagrama
de fase, sin embargo, stas se encuentran ms espaciadas regularmente
conforme se acercan hacia arriba, a lo largo de la lnea de punto de burbuja.
Una reduccin pequea en la presin por debajo del punto de burbuja (punto
2) provoca la liberacin de una significante cantidad de gas en el yacimiento.
Para un aceite voltil por debajo de la presin del punto de burbuja, cadas de
presin de slo 10-20 kg/cm2abs (100 a 200 lb/pg2abs), provoca una
liberacin aproximada al 50% del gas disuelto en el aceite a condiciones del
yacimiento. La posicin del punto del separador se localiza en las curvas de
menor % de lquido (figura 7).
Figura 7. Diagrama de fases tpico para Aceite voltil.
Fuente: The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
c) Gas y condensado. La lnea que divide a los aceites voltiles de los
condensados del gas es clara y precisa. La concentracin C7+ es uno de los
parmetros importantes para diferenciar fluidos del tipo aceite voltil y
ACEITE
VOLATIL
PUNTO
CRTICO
Temperatura (F)
Pre
sin
(lb/
pg2 a
bs)
Lne
a de
pun
tos de
bur
buja
Presin del
yacimiento
SEPARADOR
% de
lquido
Lnea de puntos
de roco
14 Diseo de Instalaciones de Produccin
condensado del gas, sin importar en este caso, la densidad relativa del aceite y
el color del lquido que se obtiene en el tanque de almacenamiento.
En un diagrama de fase de presin-temperatura para este tipo de fluidos la Ty
es mayor y muy cercana a la Tc. Contrariamente a los aceites negros y los
aceites voltiles, en el yacimiento cuando la presin inicial del yacimiento, pi,
es mayor que la presin de saturacin, los fluidos se encuentran totalmente en
la fase vapor. A esta presin de saturacin se le denomina presin de roco, pd
(figura 8).
Conforme la explotacin del yacimiento progresa la py alcanza el punto de
roco, pd, es donde se presenta el inicio de la formacin de lquidos
(condensados), que se obtienen por condensacin del gas al declinar la presin
mostrando en el yacimiento las dos fases (lquido y vapor). En el yacimiento,
estos condensados se acumularn libremente y generalmente gran cantidad de
ellos no se producir hacia los pozos, formando en consecuencia un anillo de
condensados, que probablemente ir creciendo conforme avanza la explotacin
del yacimiento, obstruyendo el flujo de los fluidos haca los pozos. Con la
finalidad de maximizar la recuperacin de lquidos; los yacimientos del tipo de
condensados del gas se deben de explotar al menos con tres o ms etapas de
separacin en la superficie.
15 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 8. Diagrama de fases tpico para Gas y condensado.
Fuente: The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
d) Gas hmedo. La figura 9. muestra un ejemplo comn de un diagrama de
fase de presin-temperatura en donde se observa una lnea vertical isotrmica
de reduccin de presin (lnea 1-2) y un separador superficial (el punto 2). La
envolvente del diagrama de fase de la mezcla de hidrocarburos,
predominantemente formada por molculas pequeas, cae por debajo de la
temperatura del yacimiento.
Un gas hmedo existe solamente como un gas en el yacimiento a lo largo de la
cada de presin en el yacimiento, provocada por la extraccin. Tericamente,
la trayectoria de la cada de presin isotrmica en el yacimiento no entra a la
envolvente de fases, esto implica que no se formar lquido (condensado) a las
condiciones prevalecientes en el yacimiento. Sin embargo, en algunos
yacimientos, se ha determinado que se forma algo de lquido a condiciones de
p
2
16 Diseo de Instalaciones de Produccin
yacimiento, por lo que la trayectoria de la cada de presin isotrmica en el
yacimiento si entra a la envolvente de fases.
Figura 9. Diagrama de fases tpico para Gas hmedo
Fuente: The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
De igual manera, a las condiciones de separacin en la superficie, la
trayectoria de produccin entra a la regin de dos fases, lo que origina que
algo de lquido (condensado) se forme en la superficie.
e) Gas seco. La figura 10 representa un diagrama comn de presin-
temperatura para un gas seco observando una lnea vertical de cada de
presin isotrmica (lnea1-2) y el punto a condiciones de separador.
Los gases secos no contienen suficientes molculas pesadas para formar
lquidos hidrocarburos en las instalaciones superficiales. Sin embargo, si se
llegan a producir cantidades muy pequeas de condensado en relacin al gas
producido. Desde el punto de vista de ingeniera un gas seco es aqul en el
PUNTO
CRTICO
Temperatura (F)
Pres
in
(lb/
pg2 a
bs)
GAS
HMEDO
SEPARADOR
Lne
a de
pun
tos
de bur
buja
Ln
ea d
e pu
ntos
de
roc
o
2
1Presin del
yacimiento
% de
lquido
17 Diseo de Instalaciones de Produccin
que se tienen RGAi por arriba de los 100,000 ft3 c.e./bl c.e. (17,823.02 m3
c.e./m3 c.e.), obteniendo densidades relativas del condensado constantes y
presenta un color transparente.
Los gases secos no presentan cambio de fase cuando la presin se reduce a
temperatura del yacimiento.
Para propsitos de ingeniera la concentracin del pseudo componente C7+ es
menor a 0.7% mol, y la fraccin del metano es mayor de 50%.
Figura 10. Diagrama de fases tpico para Gas seco
Fuente: The proerties of petroleum fluids, William D McCain.
PUNTO
CRTICO
Temperatura (F)
Pre
sin
(lb/p
g2abs)
Presin del
yacimiento
GAS
SECO
SEPARADOR
Ln
ea d
e pu
ntos
de b
urbu
jaL
nea
de
punt
os
de r
oco
% de
lquido
18 Diseo de Instalaciones de Produccin
2. ECUACIN DE ESTADO
Objetivo especfico: al trmino de la unidad, el participante explicar los
fundamentos y la evolucin de las ecuaciones de estado, as como de las reglas
de mezclado.
Ecuacin de Estado para Gas Ideal
Una ecuacin de estado es un modelo matemtico que relaciona las variables
de estado de un fluido. Las variables de estado son Presin (P), Temperatura
(T) y Volumen (V). Una apropiada descripcin de la interaccin de las
propiedades de los hidrocarburos en funcin de Presin, Volumen y
Temperatura resulta esencial para determinar y predecir el volumen y
comportamiento de las fases.
En 1834 Emilie Clapeyron dedujo la ecuacin de los gases ideales (Ecuacin
2.1) basndose en la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro,
llegando a la siguiente expresin:
Ec 2.1
Donde:
P= Presin.
V = Volumen molar.
R = Constante universal de los gases ideales
T = Temperatura.
Un gas ideal se puede imaginar como un conjunto de esferas duras que
colisionan pero que no interactan entre ellas, es decir, no existen fuerzas ni
de atraccin ni de repulsin entre ellas o con las paredes del contenedor.
Un gas real tiende a comportarse como ideal a altas temperaturas y bajas
presiones (
19 Diseo de Instalaciones de Produccin
La ley de Boyle establece en funcin de datos experimentales que a
condiciones de temperatura constante, el volumen de un gas ideal es
inversamente proporcional a la presin para una masa de gas definida
(Ecuaciones 2.2 y 2.3), es decir:
Ec. 2.2
Ec. 2.3
De donde se deduce que:
Si V se incrementa p disminuye y viceversa (@ T=cte.).
La ley de Charles establece que en funcin de datos experimentales a
condiciones de presin constante, el volumen de un gas ideal es directamente
proporcional a la temperatura para una masa de gas definida (Ecuaciones 2.4 y
2.5), es decir:
Ec. 2.4
Ec. 2.5
Si V se incrementa T se incrementa y viceversa (@ P=cte.).
La ley de Avogadro establece que bajo las mismas condiciones de T y P,
volmenes iguales de todos los gases ideales contienen el mismo nmero de
molculas. A una p y T dadas, un peso molecular de cualquier gas ideal ocupa
el mismo volumen que un peso molecular de cualquier otro gas ideal. Por lo
tanto, se tienen 6.02x1023 molculas por libra-mol de gas ideal. En una unidad
de masa molecular en libras-mol, lb-mol, de cualquier gas ideal a condiciones
estndar de 60 F y 14.696 lb/pg2 abs se ocupa un volumen de 379.4 ft3.
pV
1
ctepV
T~V
cteT
V
20 Diseo de Instalaciones de Produccin
Para los fluidos reales, las condiciones de idealidad no se cumplen. Para
modelar el comportamiento real se emplea la ecuacin de estado para gases
reales, Pv = ZRT, en donde, el trmino Z es el factor de compresibilidad,
cuando Z = 1 se tiene un gas ideal.
El principio de estados correspondientes establece que todas las sustancias se
comportan de forma similar cuando tienen la misma proximidad a su punto
crtico (a temperatura y presin reducida). (Ecuaciones 2.6 y 2.7).
Ec. 2.6 Ec. 2.7
Las desviaciones en el comportamiento con base en los estados
correspondientes son debidas a las estructuras moleculares de las especies
qumicas, lo que lleva a diferentes fuerzas intermoleculares.
Pitzer encontr que la presin de vapor reducida para sustancias esfricas (Ar,
Kr y Xe) caen en la misma curva a PR=0.1 y TR=0.7. Esta caracterstica
permite definir un tercer parmetro adems de TC y PC para caracterizar a una
sustancia pura (Ecuacin 2.8), el factor acntrico ().
Ec. 2.8
El factor acntrico () se define como un parmetro necesario para calcular el
factor de compresibilidad de un gas, ste mide la desviacin en la presin de
vapor de un compuesto, respecto a gases nobles como el criptn, xenn y
argn (tambin llamados fluidos simples) para los que el factor acntrico toma
el valor de cero.
C
RP
PP
C
RT
TT
0.1log
7.0 a
RTC
S
P
P
21 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ecuacin de Estado de Van der Waals
En 1873 Van der Waals considera que el gas si ocupa un volumen considerable
y que las molculas del mismo interactan entre s (Ecuacin 2.9).
Ec. 2.9
Donde a y b son parmetros de atraccin y repulsin, respectivamente. Para
determinar los valores de a y b para cualquier sustancia pura Van der Waals,
observa que la isotrmica crtica tiene una pendiente horizontal y un punto de
inflexin en el punto crtico (figura 11).
Figura 11. Envolvente Presin-Volumen para un componente puro.
Fuente: Equations of state and PVT analysis, Tarek Ahmed.
2)( v
a
bv
RTP
22 Diseo de Instalaciones de Produccin
En el punto crtico se cumplen las siguientes condiciones (Ecuaciones 2.10 y
2.11):
Ec.2.10
Y
Ec. 2.11
Resolviendo simultneamente las derivadas se obtiene (Ecuaciones 2.12 y
2.13:
Ec. 2.12
Y
Ec. 2.13
Ecuaciones de Estado de Redlich Kwong Soave (RKS) y Peng Robinson
(PR)
Dos de las Ecuaciones de Estado ms ampliamente empleadas en la industria
petrolera corresponden a los autores Redlich-Kwong-Soave (RKS) y Peng-
Robinson (PR) en 1972 y 1976, respectivamente, quienes las presentaron
basados en las Ecuaciones de Estado de Van der Waals y tienen la siguiente
estructura (Ecuaciones 2.14, 2.15, 2.16 y 2.17):
Ec. 2.14
02
2
Tv
P
c
c
P
RTb
8
0
Tv
P
c
c
P
TRa
64
2722
22 wbubVV
a
bV
RTP
23 Diseo de Instalaciones de Produccin
En donde:
Ec. 2.15
Ec. 2.16
Y
Ec. 2.17
Se han hecho mltiples modificaciones a la ecuacin de Estado de Van der
Waals; los parmetros a y b que originalmente se obtuvieron de las
condiciones en el punto crtico, se han modificado con base en datos
experimentales lo que ha llevado a ecuaciones semi-empricas.
Las modificaciones ms populares a la ecuacin de Van der Waals han
mejorado su capacidad predictiva cambiando su trmino atractivo. A
continuacin se presentan dos modificaciones recientes:
Ecuaciones de Estado de Redlich Kwong Soave Mathias (RKSM)
En 1983, Mathias aporta una contribucin a la Ecuacin de Estado RKS
enfocada en el ajuste de las presiones de vapor de los componentes puros para
el clculo de la Presin de Vapor total de las fases (Ecuacin 2.18).
( ) ( ( ) ( ( )) ( ( ) ) Ec. 2.18
Ecuaciones de Estado de Peng Robinson Striyek Vera (PRSV)
En 1986, Striyek Vera propone una modificacin a la Ecuacin de Estado PR,
despus de observar que por lo general por encima de la temperatura crtica,
c
ca
P
fRTa
2
c
cb
P
RTb
2
2
321 11
CT
Trrrf
24 Diseo de Instalaciones de Produccin
la funcin alfa PRSV tiende a divergir y convertirse arbitrariamente grande, en
lugar de tender hacia 0. Debido a esto, las ecuaciones alternativas para alfa
deben ser empleadas por encima del punto crtico. Esto es especialmente
importante para los sistemas que contienen hidrgeno que se encuentra a
menudo a temperaturas muy por encima de su punto crtico.
Adems, para el trmino alfa consider un trmino qi que est relacionado
con la polaridad de las sustancias puras (Ecuacin 2.19).
( ) ( (( ) ) ( )( ) ) Ec. 2.19
Los parmetros de cada Ecuacin de Estado se muestran en la tabla 2:
Parmetro PR SRK RKSM PRSV
u 2 1 1 2
w -1 0 0 -1
a 0.45724 0.42747 0.42748 0.45724
b 0.07780 0.08664 0.08664 0.07780
r1 0.37464 0.480 0.48508 0.37889
r2 1.54226 1.574 1.55171 1.48971
r3 -0.26992 -0.176 -0.15613 -0.17132
r4 0 0 0 0.01965
Tabla 2.Parmetros de Ecuaciones de Estado
El anexo 1 muestra un resumen de las principales aportaciones que ha tenido
la Ecuacin de Van der Waals.
Reglas de Mezclado:
Las ecuaciones de estado permiten modelar el comportamiento PVT de
sustancias puras, para modelar el comportamiento de mezclas es necesario
25 Diseo de Instalaciones de Produccin
calcular los parmetros a y b de la mezcla mediante las reglas de combinacin
o reglas de mezclado.
Los parmetros de la ecuacin de estado (a y b) evalan el efecto de las
fuerzas atractivas y repulsivas entre las molculas.
Las reglas de mezclado cuantifican las fuerzas prevalecientes entre las
diferentes sustancias que forman una mezcla.
Regla de Mezclado de Van der Waals
La regla de mezclado de Van der Waals tambin llamada clsica, es tal vez la
regla de mezclado ms empleada.
Los parmetros de interaccin binaria (kij) se obtienen por regresin a datos
experimentales; por lo que, sus valores dependen del banco de datos
disponible y la ecuacin de estado (Ecuaciones 2.20 y 2.21).
kij igual a cero para compuestos de la misma polaridad.
Limitada a mezclas no polares o ligeramente polares.
Ec. 2.20
Ec. 2.21
Reglas de mezclado de Van Laar tipo Stryjek-Vera
kij se obtienen por regresin a datos experimentales; por lo que sus valores
dependen del banco de datos disponible y la ecuacin de estado kij igual a cero
para compuestos de la misma polaridad (Ecuacin 2.22).
N
i
N
j
jiijjim aakyya1 1
1
N
i
iim byb1
26 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ec. 2.22
Regla de Mezclado Mathias-Klotz-Prausnitz
kij se obtienen por regresin a datos experimentales; por lo que sus valores
dependen del banco de datos disponible y la ecuacin de estado kij igual a cero
para compuestos de la misma polaridad (Ecuaciones 2.23, 2.24, 2.25 y 2.26)
Ec. 2.23
Ec. 2.24
Ec. 2.25
Ec. 2.26
Regla de mezclado de Hurn Vidal (HV)
Las reglas de mezclado anteriores, aunque simples, tienen el inconveniente de
que sus parmetros son fundamentalmente de ajuste, por lo que su
confiabilidad est sujeta al banco de datos utilizado y las tcnicas de
optimizacin empleadas. Con la finalidad de minimizar estos inconvenientes, se
han propuestos reglas de mezclado que utilizan modelos de coeficientes de
actividad.
Dado que el uso de requiere informacin sobre los componentes que
constituyen la mezcla, la regla de HV y sus modificaciones no son
rutinariamente utilizadas en la caracterizacin termodinmica del petrleo
(Ecuaciones 2.27 y 2.28).
i j jijiji
jiij
jijimkxkx
kkaaxxa 1
jijiji
ijijij
jiij
ij
kkk
kkk
kkk
2
221 jjiiijjijijiijjijim xxxxlkxkxkaaxxa
27 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ec. 2.27
Ec. 2.28
E
i i
ii
g
b
ax
b
a
i
iibxb
28 Diseo de Instalaciones de Produccin
3. EQUILIBRIO LQUIDO VAPOR
Objetivo especfico: al trmino de la unidad, el participante definir los
conceptos de bsicos del equilibro lquido valor y realizar el clculo de
presiones para una solucin lquida y de gases.
Para explicar el Equilibrio lquido-vapor continuaremos con una serie de
conceptos bsicos que hay que conocer.
Sistema, frontera y entorno: un sistema termodinmico es aquella parte del
universo fsico cuyas propiedades se estn estudiando. El sistema est
confinado a un lugar definido en el espacio por la frontera que lo separa del
resto del universo, el entorno.
Un sistema es aislado cuando la frontera no tiene interaccin con el entorno.
Un sistema aislado no produce efectos observables sobre el entorno. Un
sistema es abierto cuanto pasa masa a travs de la frontera, cerrado
cuando no hay paso de masa a travs de la frontera. Un sistema es
adiabtico cuando no hay transferencia de energa con el entorno a travs de
la frontera. Sistema heterogneo.
Estado de un sistema. Un sistema se encuentra en un estado definido
cuando cada una de sus propiedades tiene un valor determinado.
Cambio de estado, trayectoria y proceso. El sistema sufre un cambio de
estado cuando una de sus propiedades cambia de valor. El cambio de estado
est completamente definido cuando se especifican los estados final e inicial.
La trayectoria del cambio de estado se define especificando el estado inicial,
la secuencia de estados intermedios y el estado final. Un proceso es el
mtodo de operacin en el que se realiza un cambio de estado. La descripcin
del proceso consiste en establecer la frontera, el cambio de estado, la
trayectoria y los efectos en el entorno.
Fase: una fase es una porcin homognea de un sistema fsicamente
diferenciable y separable mecnicamente.
29 Diseo de Instalaciones de Produccin
Comportamiento de fase: cambio que existe entre las fases y describe las
condiciones de presin y temperatura a las que pueden existir. Su estudio
incluye el manejo de tres variables: presin, temperatura y volumen. Las
fases se pueden identificar por su densidad.
Diagramas de fase: son determinaciones experimentales o matemticas
expresadas en grficas que relacionan el comportamiento de presin y
temperatura, presin y volumen especfico, densidad y temperatura, presin y
composicin, temperatura y composicin o cualquier otra combinacin de
propiedades de una sustancia que muestra las condiciones bajo las que se
pueden presentar sus diferentes fases.
Sistemas de un solo componente: est formado totalmente por una sola
clase de tomo o molcula.
El dominio cuantitativo de las relaciones entre las propiedades de presin,
volumen y temperatura de un sistema de un slo componente, nos proporciona
la base para el entendimiento del comportamiento de fases de las mezclas
complejas.
Curva de presin de vapor: es la lnea que separa las condiciones de presin
y temperatura de una sustancia identificando cuando se encuentra en fase
lquida y cuando en fase gaseosa. En una grfica de PresinTemperatura, los
puntos de esta lnea indican condiciones en las que coexisten las fases lquido y
gas de esa sustancia.
Punto crtico: representa el valor ms alto de presin y temperatura en el
que dos fases pueden coexistir. Digamos lquido y gas. Tambin se define para
un sistema multicomponente como: el estado de presin y temperatura para
el que las propiedades intensivas (no dependen de la masa) de las fases
lquidas y gaseosas son idnticas. Los valores de presin y temperatura de este
punto se denominan presin y temperatura crticas.
Equilibrio de fases: se tiene equilibrio entre fases cuando se cumplen las
siguientes relaciones (figura 12).
30 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 12. Ejemplo de equilibrio de fases.
Presin crtica: es la presin por arriba de la que las fases lquida y gaseosa
de una sustancia pura no pueden coexistir, independientemente de la
temperatura que se aplique.
Temperatura crtica: temperatura por arriba de la cual el gas no puede ser
licuado, independientemente de la presin que se le aplique.
Punto triple: en la grfica de presin-temperatura, es el punto donde las tres
fases de la sustancia pueden coexistir en equilibrio.
Curva de presin de sublimacin: lnea que se observa por debajo de la
temperatura del punto triple y separa las condiciones en donde la sustancia es
slida o gaseosa. Tericamente se extiende a presin y temperatura de cero
absoluto.
Curva de punto de fusin: curva que se inicia en el punto triple y separa las
condiciones de una sustancia en estado slido y lquido. Los puntos sobre esta
lnea indican que las fases slida y liquida de la sustancia coexisten en
equilibrio. El lmite superior no se ha determinado experimentalmente.
p 3
p
)()2()1(
2
)2(
2
)1(
2
1
)2(
1
)1(
1
21
21
PPP
TTT
31 Diseo de Instalaciones de Produccin
Diagrama de fases: diagrama con coordenadas PVT que indican las curvas
que delimitan las fases, ya sea de una sustancia pura (figura 13) o de mezclas.
Figura 13. Envolvente de fases PVT, para un componente puro.
Fuente: Equations of state and PVT analysis, Tarek Ahmed.
La primera ley de la termodinmica: ms comnmente conocida como ley
de la conservacin de la energa establece que:
La energa en cualquiera de sus formas no puede ser destruida ni
creada, sino solamente transformada de una forma a otra.
La expresin matemtica de la primera ley de la termodinmica depende de los
tipos de energa que se consideren involucrados en la transformacin o cambio
de estado, as como del tipo de sistema que se quiera estudiar. Para el caso
del equilibrio de fases, las contribuciones de la energa cintica y potencial se
32 Diseo de Instalaciones de Produccin
consideran despreciables o inexistentes, por lo que la primera ley de la
termodinmica para sistemas cerrados es (ecuacin 3.1):
Ec. 3.1
Donde U es la energa interna del sistema, Q es el calor intercambiado con los
alrededores y W el trabajo realizado sobre los alrededores
Segunda Ley de la termodinmica: durante un proceso, la primera ley de la
termodinmica establece que la energa total del universo se conserva, pero no
establece ninguna restriccin en cuanto a la direccin natural del proceso o de
los intercambios energticos asociados a ste. La segunda ley de la
termodinmica precisamente- proporciona los criterios para establecer la
direccin natural en que ocurren los procesos.
Las observaciones que sirvieron para establecer la segunda ley de la
termodinmica, se basaron, en un principio, en el estudio del comportamiento
de las denominadas mquinas trmicas (que son mquinas que realizan la
transformacin de energa calorfica en trabajo en un proceso cclico), en la
actualidad los postulados y conclusiones obtenidos de la segunda ley de la
termodinmica alcanzan a cualquier tipo de proceso o sistema.
Las observaciones del funcionamiento de las mquinas trmicas en las que se
basa la segunda ley de la termodinmica son:
No es posible transformar todo el calor absorbido por el sistema
en trabajo realizado por el sistema.
Un sistema en un proceso cclico para realizar trabajo sobre los
alrededores necesita -por lo menos- dos reservas de calor.
Equilibrio Lquido-vapor para soluciones ideales
Las soluciones lquidas ideales: a) Cuando los componentes de la solucin se
mezclan mostrando una solubilidad mutua. b) No existe interaccin qumica
entre los componentes de la mezcla. c) Los dimetros moleculares de cada
dWdQdU
33 Diseo de Instalaciones de Produccin
componente de la mezcla son iguales. d) Las fuerzas intermoleculares de
atraccin y repulsin son iguales.
Estas propiedades proporcionan dos resultados prcticos: (1). No existe un
efecto de calentamiento cuando los componentes de una solucin ideal se
mezclan. (2). A las mismas condiciones de presin y temperatura el volumen
de una solucin ideal es igual a la suma de los volmenes de los componentes
que ocuparan como lquidos puros.
Ecuacin de Raoult. La teora desarrollada por Raoult establece que la
presin parcial de un componente puro en el vapor, es igual a la fraccin mol
del componente en el lquido multiplicado por la presin de vapor de dicho
componente.
La ecuacin de Raoult es solamente vlida si las mezclas de vapor y lquido son
soluciones ideales. La expresin matemtica de la ecuacin de Raoult se indica
en la ecuacin 3.2.
Ec. 3.2
Donde x es la fraccin mol del componente en el lquido, p es la presin
parcial del componente en el gas en equilibrio con un lquido de composicin
xj en lb/pg2abs, y pv es la presin de vapor que ejerce el componente puro a
la temperatura deseada en lb/pg2abs.
Ecuacin de Dalton. La teora de Dalton se utiliza para calcular la presin
parcial ejercida por un componente puro en una mezcla de gases ideales
(ecuacin 3.3):
Ec. 3.3
Donde y es la fraccin mol del componente en el vapor.
Composiciones y cantidades de las fases lquido y vapor en equilibrio
de una solucin ideal. Se observa que las ecuaciones de Raoult y Dalton
representan la presin parcial de un componente en una mezcla de gases. En
jvjjpxp
pypjj
34 Diseo de Instalaciones de Produccin
la ecuacin de Raoult el vapor debe de estar en equilibrio con el lquido. Luego,
combinando las ecuaciones 3.2 y 3.3 para eliminar las presiones parciales, se
obtiene las ecuaciones 3.4 y 3.5.
Ec. 3.4
Ec. 3.5
Las ecuaciones 3.4 y 3.5 relacionan las composiciones de las fases lquido y
vapor a la presin y temperatura en las que el equilibrio lquido-vapor existe.
La ecuacin 3.5 es la relacin de la fraccin mol de un componente en el
vapor a la fraccin mol del componente en el lquido. Para determinar los
valores de x y y, la ecuacin 3.5 se debe de combinar con otra ecuacin que
relacione las cantidades x y y, que se obtiene a travs de un balance de
materia, donde las moles totales de la mezcla es la suma de las moles de las
fases (ecuacin 3.6).
Ec. 3.6
Incluyendo la fraccin mol del componente en la mezcla total (en la ecuacin
3.6) en las fases vapor y lquido, se obtiene la ecuacin 3.7:
Ec.3.7
En donde de las ecuaciones 3.6 y 3.7 se tiene que n es el nmero total de
moles en la mezcla, nL es el nmero total de moles en el lquido en lbm-mol,
ng es el nmero total de moles en el vapor en lbm-mol, z es la fraccin mol
del componente en la mezcla total incluyendo las fases lquido y vapor; x es
la fraccin mol del componente en la mezcla total, y es la fraccin mol del
componente en el vapor, zn es el nmero de moles del componente en la
pypxjjvj
j
jjv
x
y
p
p
gL nnn
gjLjjnynxnz
35 Diseo de Instalaciones de Produccin
mezcla, xnL es el nmero de moles del componente en la fase lquida, y yng
es el nmero de moles del componente en la fase de vapor.
Partiendo de la ecuacin 3.5 tenemos la ecuacin 3.8
Ec. 3.8
Eliminando y al combinar las ecuaciones anteriores, es decir, sustituyendo la
ecuacin 3.8 en la ecuacin 3.7 se tiene:
Ec. 3.9
Despejando la fraccin del componente en la fase lquida tenemos la ecuacin
3.10.
Ec. 3.10
Por definicin se debe cumplir que:
Aplicando esta condicin a la ecuacin 10 tenemos
Ec. 3.11
Esto se obtiene por ensaye y error
Del mismo modo se tiene
Ec 3.12
p
pxy
jv
jj
g
jv
jLjjn
p
pxnxnz
g
jv
L
j
j
np
pn
nzx
n
j
jx
1
1
n
j
g
jv
L
jn
j
j
np
pn
nzx
1
1
1
jv
jjp
pyx
36 Diseo de Instalaciones de Produccin
Sustituyendo la ecuacin 3.12 en la 3.7 tenemos:
Ec. 3.13
Si despejamos la fraccin mol del componente en la fase gas:
Ec. 3.14
Por definicin se cumple:
Sustituyendo se tiene
Ec. 3.15
Las ecuaciones 3.11 y 3.15 se resuelven mediante un proceso de ensaye y
error, y se utilizan para calcular las composiciones de las fases lquido y vapor
de una mezcla en el equilibrio, respectivamente.
Para simplificar los clculos suponemos
Ec. 3.16
En donde Ln y gn son fracciones de mol de lquido y de vapor,
respectivamente, ambas respecto a lbm-mol totales, es decir:
Ec. 3.17
gjL
jv
jjnyn
p
pynz
L
jv
g
j
j
np
pn
nzy
n
j
jy
1
1
n
j
L
jv
g
jn
j
j
np
pn
nzy
1
1 1
1 gL nn
nnn LL /
37 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ec. 3.18
Ec. 3.19
Ec. 3.20
Si sustituimos la ecuacin 3.18 y 3.20 en la ecuacin 3.11 tenemos:
Ec. 3.21
De la ecuacin 3.16 se tiene:
Ec. 3.22
Si sustituimos la ecuacin 3.22 en la 3.21 se tiene:
Ec. 3.23
Haciendo lo mismo en la ecuacin 3.15, sustituimos en 3.18 y 3.20
Ec. 3.24
)( LL nnn
)( gg nnn
nnn gg /
n
jg
jvL
j
gjv
L
jn
j
j
np
pnn
nz
nnp
pnn
nzx
1
1
1
)()()(
gL nn 1
n
j jvg
j
gjv
g
jn
jj
p
pn
z
np
pn
zx
1
1 1
11)()1(
n
j
L
jv
g
j
L
jv
g
jn
j
j
np
pnn
nz
nnp
pnn
nzy
1
1 1
)()()(
38 Diseo de Instalaciones de Produccin
De la ecuacin 3.16 se obtiene:
Ec. 3.25
Sustituyendo la ecuacin 3.25 en la ecuacin 3.24 se obtiene:
Ec. 3.26
Las ecuaciones 3.23 y 3.26 se emplean para los clculos de las composiciones
de lquido y vapor, respectivamente, en las mezclas de soluciones ideales. Para
el clculo de la sumatoria xj (ecuacin 3.23) se emplea un proceso de
ensaye y error, con un valor de .
Utilizando las presiones de vapor, pv, de cada componente de la mezcla a la
temperatura deseada, y se calcula la sumatoria para x. Si el resultado de la
sumatoria de x, es igual a la unidad, cada trmino en la suma es igual a x, y
la masa total de vapor, es igual al producto del valor ensayado de multiplicada
por los moles totales de la mezcla n. Si el resultado de la sumatoria de xj no
es igual a la unidad, se realiza un nuevo clculo con otro valor de ng.
Hasta que la sumatoria de x sea igual a la unidad. De igual forma, para el
clculo de la sumatoria yj .
Clculo de la presin en el punto de burbuja de una solucin lquida
ideal. La presin en el punto de burbuja es el punto en el que aparece la
primera burbuja de gas. Desde el punto de vista de ingeniera, la cantidad de
gas es despreciable. Esto significa que el nmero total de moles en la fase de
vapor es cero (ng=0), y el nmero total de moles en la fase lquida es igual al
nmero total de moles de la mezcla (n=nL). Sustituyendo ng=0, n=nL y p=pb
en la ecuacin 3.15 se tiene:
Lg nn 1
n
j
jv
L
j
L
jv
L
jn
jj
p
pn
z
np
pn
zy
1
1 1
11)1(
)10( gn
gn
gn
39 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ec. 3.27
Por lo tanto, se obtiene que la presin de burbuja de una solucin lquida ideal
a una temperatura deseada, es la suma de la fraccin mol de cada
componente, zj, multiplicada por la presin de vapor de cada componente, es
decir:
Ec. 3.28
Clculo de la presin en el punto de roco de una solucin de gases
ideales. La presin en el punto de roco es el punto en el que aparece la
primera gota de lquido. Desde el punto de vista de ingeniera la cantidad de
lquido es despreciable. Esto significa que el nmero total de moles de lquido
es cero (nL=0) y el nmero total de moles de gas es igual al nmero total de
moles de la mezcla (n=ng). Luego entonces, substituyendo nL=0, ng=n y p=pd
en la ecuacin 3.11 se tiene:
Ec. 3.29
Por lo tanto, la presin de roco de una mezcla de gases ideales a una
temperatura deseada, es el recproco de la suma de la fraccin mol de cada
componente dividida por la presin de vapor de cada componente, es decir:
Ec. 3.30
n
j
L
jv
g
jn
j
j
np
pn
nzy
1
1 1
n
j
n
j jvb
j
jv
b
j
pp
z
np
p
nz
1 1
1
)/(
n
j
jvjbpzp
1
n
j
g
jv
L
jn
j
j
np
pn
nzx
1
1
1
n
j
n
j
d
jv
j
d
jv
j
p
p
z
np
p
nz
1 1
1
n
j jv
j
d
p
zp
1
1
40 Diseo de Instalaciones de Produccin
Soluciones reales (no ideales)
Las ecuaciones 3.11 y 3.15 se emplean para conocer cuantitativamente el
equilibrio lquido-vapor de una mezcla en dos fases. Sin embargo, las
principales suposiciones en la derivacin de estas ecuaciones son las
siguientes:
1. La ecuacin de Dalton establece que el comportamiento de la mezcla en la
fase vapor (gas), es similar al comportamiento de una solucin ideal de gases
ideales. Por ejemplo, para propsitos de clculo en ingeniera petrolera, la
suposicin de gases ideales limita el uso de las ecuaciones 3.11 y 3.15 por
debajo de 100 lb/pg2abs de presin y a temperaturas moderadas.
2. La ecuacin de Raoult considera que el lquido se comporta como una
solucin ideal. El comportamiento de solucin ideal es aproximado slo si los
componentes de la mezcla lquida presentan propiedades fsicas y qumicas
muy similares.
3. Un componente puro no puede presentar una presin de vapor a
temperatura por arriba de su temperatura crtica. Por lo tanto, las ecuaciones
3.11 y 3.15 se limitan a temperaturas menores que la temperatura crtica, Tc,
de los componentes ms voltiles en la mezcla.
Es decir, si el metano con un Tc de 116F es un componente de la mezcla,
entonces las ecuaciones 3.11 y 3.15 no se pueden aplicar por arriba de esta
temperatura.
Para contrarrestar estas tres limitaciones, se han desarrollado varios mtodos
tericos. Sin embargo, el empleo de correlaciones soportadas por
observaciones y mediciones experimentales del comportamiento lquido-vapor
en equilibrio, representan el mtodo ms preciso. Las correlaciones involucran
el trmino denominado relacin de equilibrio representado por K y definido
por:
Ec. 3.31
j
j
jx
yK
41 Diseo de Instalaciones de Produccin
En donde K es la relacin de equilibrio lquido-vapor (tambin conocida como
relaciones de distribucin de equilibrio lquidovapor, coeficientes de
distribucin, factores K, valores K) xj y y , son los valores determinados
experimentalmente de la composicin del lquido vapor en equilibrio a una
presin y temperatura dadas.
La relacin de equilibrio, K, no representa un valor constante; es decir, K es
una funcin de la presin, temperatura y de la clase de mezcla.
Composiciones y cantidades de las fases lquido y vapor (gas) en
equilibrio para una solucin real. Recordando la ecuacin para el equilibrio
de una solucin ideal (ecuacin 3.5), y en funcin de la relacin de equilibrio,
K, (ecuacin 3.31), se tiene:
Ec. 3.32
Sustituyendo la expresin 3.31 en las ecuaciones 3.11 y 3.15, para tomar en
cuenta el comportamiento de soluciones reales, lo que implica reemplazar la
relacin de presiones (pv/p) por la relacin de equilibrio experimental para las
fases lquido-vapor, se tiene:
Ec. 3.33
Ec. 3.34
Para la composicin de la fase vapor en equilibrio.
Kx
y
p
p
j
jjv
n
j jgL
jn
j
jKnn
nzx
11 1
n
j
j
Lg
jn
j
j
K
nn
nzy
11 1
42 Diseo de Instalaciones de Produccin
Simplificando la ecuacin 3.33 en funcin de una mol de mezcla total. Es decir,
sustituyendo 3.17 y 3.18 en la ecuacin 3.33, obtenemos:
Ec. 3.35
Sustituyendo la ecuacin 3.22 en la ecuacin 3.35, se obtiene:
Ec. 3.36
De manera similar, simplificando la ecuacin 3.34 en funcin de una mol de
mezcla total mediante la sustitucin de las ecuaciones 3.17 y 3.18 en la
ecuacin 3.34, se obtiene:
Ec. 3.37
Luego, sustituyendo la ecuacin 3.25 en la ecuacin 3.37, se tiene:
Ec. 3.38
n
j jgL
jn
j gjL
jn
j
jKnn
z
nnKnn
nzx
111 1
)()(
n
j jg
jn
j jgg
jn
j
jKn
z
Knn
zx
111 1
)1(11
n
j
j
Lg
jn
j
j
Lg
jn
j
j
K
nn
z
K
nnnn
nzy
111 1
)()(
n
j
j
L
jn
j
j
LL
jn
j
j
Kn
z
K
nn
zy
111 1
11
11
43 Diseo de Instalaciones de Produccin
Las ecuaciones 3.36 y 3.38 requieren una solucin por ensaye y error. Ambas
ecuaciones proporcionan los mismos resultados y trabajan eficientemente, se
puede optar por trabajar con cualquiera de ellas:
a) Seleccionando valores de ensaye sucesivos para cualesquiera o
hasta que la sumatoria sea igual o aproximada a la unidad, siendo en este
momento los valores correctos.
b) Los trminos en la sumatoria representan la composicin del lquido o del
vapor (dependiendo de las ecuaciones 3.36 o 3.38, respectivamente).
c) La precisin de los resultados depende estrictamente de la precisin de los
valores de las relaciones de equilibrio empleadas.
Clculo de la presin en el punto de burbuja de un lquido real. La
cantidad de gas en el punto de burbuja es despreciable. Luego, entonces se
puede sustituir y dentro de la ecuacin 3.34.
Ec. 3.39
Se observa que la presin no se encuentra explcita en la ecuacin 3.39. La
presin es funcin del valor de la constante de equilibrio, K. Por lo tanto, la
presin de burbuja de una solucin real, pb, no se puede calcular directamente
como en el caso de soluciones ideales. La presin en el punto de burbuja a una
determinada temperatura, T, se determina por ensaye y error a partir de
valores de presin, obteniendo los valores de la relacin de equilibrio.
Despus, se calcula la sumatoria de la ecuacin 3.39. Si la sumatoria es menor
que la unidad, se repite el clculo a una presin menor. Si la sumatoria es
mayor que la unidad se repite el clculo a una presin mayor. Se recomienda
0gn nnL
gnLn
11 11
n
j
n
j
jj
j
jn
j
j Kz
K
n
nzy
44 Diseo de Instalaciones de Produccin
estimar una aproximacin de la pb empleando como valor inicial de ensaye el
valor calculado con la ecuacin para soluciones ideales (ecuacin 3.28).
Cuando se ha calculado la pb correcta (real) por ensaye y error, la composicin
de la cantidad de gas infinitesimal a la pb se proporciona por los trminos de la
sumatoria:
Ec. 3.40
Clculo de la presin en el punto de roco de un gas real. Para este caso,
la mezcla est totalmente en la fase vapor (gas) en el punto de roco,
conteniendo una cantidad infinitesimal de lquido. Luego, se tiene que nL=0 y
ng=n condiciones que se sustituyen en la ecuacin 3.33.
Ec. 3.33
Ec. 3.41
La presin en el punto de roco es la presin a una temperatura proporcionada
en la que se satisface la condicin de la ecuacin 3.41. El clculo involucra un
proceso de ensaye y error. Se recomienda estimar una aproximacin de la
presin de roco, pd, empleando como valor inicial de ensaye, el valor calculado
con la ecuacin para soluciones ideales (ecuacin 3.30).
Ec. 3.30
n
jjj
Kz1
n
j
n
j j
jn
j j
j
jK
z
nK
nzx
1 11
1
n
j jgL
jn
j
jKnn
nzx
11 1
n
j jv
j
d
p
zp
1
1
45 Diseo de Instalaciones de Produccin
La regla de fases de Gibbs
Para cualquier sistema en equilibrio, el nmero de variables independientes
que deben ser arbitrariamente fijados, su estado intensivo est dado por la
regla de fases de J. Williard Gibbs.
Ec. 3.31
Donde es el nmero de fases, N es el nmero de compuestos y F son los
grados de libertad del sistema.
Caracterizacin de fraccin pesada (C7+)
Los Anlisis PVT normalmente reportan la composicin en trminos de
componentes puros (C1 A C6), los dems componentes son aglomerados como
fraccin pesada (C7+) o algn otra fraccin pesada que se aglomere, como
Cn+, la caracterizacin tanto de laboratorio como numrica de esta fraccin
pesada es muy importante para definir el crudo total.
Un estudio muy comn es la cromatografa de gases que se puede emplear
para muestra de gas y para lquido (figura 14).
Figura 14. Equipo cromatogrfico de gases.
Fuente: www.quiminet.com/articulos/historia-de-la-cromatografa-de-gases-20851.htm
Gas
acarreador Inyeccin de
la muestra
Columna
Detector
Registrador
NF 2
46 Diseo de Instalaciones de Produccin
Mediante la cromatografa de gases es posible identificar hidrocarburos hasta
C80, para ello se requiere de una pequea cantidad de muestra.
Cada especie en la mezcla tiene un tiempo de retencin especfico dentro de la
columna, de esta forma es posible identificarlos (figura 15).
Figura 15. Reporte cromatogrfico de gases.
Fuente: PVT And Phase behaviour of petroleum reservoir fluids, Ali Danesh.
Una de las formas de caracterizar el aceite es por destilacin fraccionada, en
ella se miden las propiedades (densidad y peso molecular) de las fracciones
recolectadas.
El estudio se lleva a cabo generalmente en una columna con 15 platos tericos
con una relacin de reflujo de 5. A este proceso se le conoce como destilacin
TBP (True Boiling Point). El procedimiento del experimento se describe en la
47 Diseo de Instalaciones de Produccin
norma ASTM 2992-84. La prueba se desarrolla a presin atmosfrica (figura
16).
Figura 16. Equipo de destilacin fraccionada.
Fuente: Phase Behavior, Curtis H. Whitson
La columna de un cromatgrafo tiene una capacidad de separacin equivalente
a decenas o cientos de platos tericos.
48 Diseo de Instalaciones de Produccin
Las condiciones de operacin de una columna se pueden modificar, reduciendo
su eficiencia, con el fin de simular 15 platos tericos, tal como en la destilacin
TBP.
A este estudio se le conoce como destilacin simulada, es una buena
alternativa para caracterizar el aceite, ya que mientras un estudio TBP puede
tardar varios das y requiere de un volumen de muestras considerable,
mediante la destilacin simulada slo se necesitan algunas horas y es
necesaria una pequea cantidad de muestras.
La figura 17 muestra un ejemplo de una curva de destilacin fraccionada.
Figura 17. Curva de destilacin fraccionada.
Fuente: PVT And Phase behaviour of petroleum reservoir fluids, Ali Danesh.
49 Diseo de Instalaciones de Produccin
Es una prctica comn en la industria petrolera reportar la composicin de los
fluidos de la siguiente forma (figura 18):
Composicin molar de 11 componentes identificables (H2S, CO2, N2, C1,
C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y hexanos).
Composicin de la fraccin pesada.
Para la fraccin pesada es indispensable reportar su peso molecular y su
densidad relativa.
Whitson determin las propiedades de estos pseudocomponentes para
agrupaciones en funcin del nmero de carbonos (Tabla 3).
50 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 18. Reporte de composicin de crudo comn.
Fuente: Anlisis de laboratorio PVT composicional
51 Diseo de Instalaciones de Produccin
Tabla 3. Tabla de propiedades de pseudocomponentes de Whitson.
Fuente: Phase Behavior, Curtis H. Whitson
Estimacin de Propiedades de los pseudocomponetes a partir de
correlaciones
El clculo de las propiedades crticas: presin (Pc), volumen (Vc), temperatura,
factor de compresibilidad (Zc) y el factor acntrico (c), se requieren para
modelar el comportamiento de fases, dichas propiedades se pueden
determinar por correlaciones generalizadas en trminos de gravedad
especfica, punto de burbuja o del peso molecular, de los grupos de carbonos
simples.
A continuacin se describen los mtodos ms empleados:
Fraccin PM (g/mol) S @ 288K (-) Fraccin PM (g/mol) S @ 288K (-)
C6 84 0.690 C26 349 0.892
C7 96 0.727 C27 360 0.896
C8 107 0.749 C28 372 0.899
C9 121 0.768 C29 382 0.902
C10 134 0.782 C30 394 0.905
C11 147 0.793 C31 404 0.909
C12 161 0.804 C32 415 0.912
C13 175 0.815 C33 426 0.915
C14 190 0.826 C34 437 0.917
C15 206 0.836 C35 445 0.920
C16 222 0.843 C36 456 0.922
C17 237 0.851 C37 464 0.925
C18 251 0.856 C38 475 0.927
C19 263 0.861 C39 484 0.929
C20 275 0.866 C40 495 0.931
C21 291 0.871 C41 502 0.933
C22 300 0.876 C42 512 0.934
C23 312 0.881 C43 521 0.936
C24 324 0.885 C44 531 0.938
C25 337 0.888 C45 539 0.940
52 Diseo de Instalaciones de Produccin
Correlaciones de Lee-Kesler
Tc = 189.8+450.6+(0.4244 + 0.1174 )Tb+(0.1441 1.0069 )x105 / Tb Ec. 3.32
Ln Pc =3.38640.0566/-(0.43639+4.1216/+0.21343/2)x10-3 Tb +
(0.47579+1.182/+0.15302/2)x10-6Tb2(2.4505+9.9099/2)x10-10Tb3 Ec. 3.33
=-7.904+0.1352 Kw0.007465 Kw2+8.359Tbr+(1.405-0.01063 Kw)/Tbr Ec. 3.34
para Tbr >0.8
Donde Pbr = Pb/Pc, Tbr = Tb/Tbc y
Kw = es el factor de correlacin de Watson.
Correlaciones de Cavett
Tc = 768.071 + 1.7134 (Tb-459.67)-0.10834 x 10-2 (Tb-459.67)2 + 0.3889 x
10-6 (Tb-459.67)3 0.89213 x 10-2(Tb 459.67)API + 0.53095 X 10-5(Tb-
459.67)2API + 0.32712 X 10-7(Tb-459.67)2API2 Ec. 3.35
Log Pc = 2.829 + 0.9412 x 10-3(Tb-459.67) 0.30475 x 10-5 (Tb 459.67)2
+ 0.15184 x 10-8 (Tb-459.67)3-0.20876 x 10-4(Tb-459.67)API + 0.11048 X10-
7(Tb-459.67)2API-0.4827 X 10-7(Tb-459.67)API2 + 0.1395 X 10-9(Tb-
459.67)2API2 Ec. 3.36
Donde API = (141.5/) 131.5
Correlaciones de Raizi-Daubert
Ec. 3.37
cb
baT
53 Diseo de Instalaciones de Produccin
Correlaciones de Sim and Daubert
Ec. 3.38
Riazi, M.R. and Daubert
Ec. 3.39
a b c
MW 4.5673x10-5 2.1962 -1.0164
Tc [R] 24.2787 0.58848 0.3596
Pc [psia] 3.12281x109 -2.3125 2.3201
Vc [ft/lb] 7.5214x10-3 0.2896 -0.7666
a b c
MW 1.4350476x10-5 2.3776 -0.9371
ln(Tc )[R] 3.9934718 0.08615 0.04614
Pc [psia] 3.48242x109 -2.3177 2.4853
cb
baT
fPMedPMaPM cb exp
54 Diseo de Instalaciones de Produccin
Correlacin de Pedersen K.S. and Christensen P.L.
Ec. 3.40
Correlacin de Sreide, I
Ec. 3.41
Correlacin Pedersen K.S. and Christensen P.L.
Ec. 3.42
Ec. 3.43
a b c d e f
Tc [R] 544.4 0.2998 1.0555 -1.3478x10-4 -0.61641 0.0
Pc [psia] 4.5203x104 -0.8063 1.6015 -1.8078x10-3 -0.3084 0.0
Vc [ft/lb] 1.206x10-2 0.20378 -1.3036 -2.657x10-3 0.5287 2.6012x10-3
Tb [R] 6.77857 0.401673 -1.58262 3.77409x10-3 2.984036 -4.25288x10-3
Ecuacin de Estado a b c d
SRK 163.12 86.052 0.43475 -1.8774x103
PR 73.4043 97.3562 0.6187744 -2.05932x103
Ecuacin de Estado a b c d e
SRK -0.13408 2.5019 208.46 -3987.2 1.0
PR 7.2862x10-2 2.18811 163.910 -4043.23 0.25
KPMTb 04609.03323.058.97
RePMxT PMxPMxb
33 10462.37685.410922.4266.303522.0510695.13.1928
KPM
dcPMPMbaTc ln
atmPM
e
PM
dbaP cc 2ln
55 Diseo de Instalaciones de Produccin
Ec. 3.44
Funcin de distribucin de carbonos
La figura 19 muestra la distribucin de la concentracin tpica de acuerdo al
nmero de carbonos de las molculas que comprenden el crudo SCN (Single
Carbon.number), a travs de una funcin matemtica se puede encontrar la
distribucin de la mezcla total de crudo o de la fraccin pesada.
La descripcin continua de un de un fluido es comnmente para componentes
ms pesados que el C6, es decir C7+, C8+, etc.
Ecuacin de
Estadoa b c d
SRK 0.7410 4.8122x10-3 9.6707x10-3 -3.7184x10-6
PR 0.373765 5.49269x10-3 1.17934x10-2 -4.93049x10-6
2dPMcbPMam
56 Diseo de Instalaciones de Produccin
Figura 19. Distribucin de los grupos SCN.
Fuente: PVT And Phase behaviour of petroleum reservoir fluids, Ali Danesh.
Un ejemplo simple, pero muy til, es emplear una funcin para describir la
concentracin de distribucin de grupos, este tipo de representacin se han
aplicado con xito en numerosos casos de caracterizacin de fluidos. Un
mtodo es el expuesto por Katz, para la fraccin C7+, expresando las
siguientes ecuaciones:
Ec. 3.45
BnAznC
ln
57 Diseo de Instalaciones de Produccin
Donde:
ZCn = Fraccin mol del grupo de carbono simple.
A y B = Constantes a determinar para cada fluido.
n = Propiedad de nmero de carbono simple, normalmente se considera el
Peso Molecular (M).
Pedersen recomienda el SCN mximo al desplegar el C7+ en funcin del crudo
a analizar.
En el caso de crudos considerados como no pesados (>13API) la
expansin de la fraccin pesada se realiza hasta un SCN de 80.
En el caso de crudos pesados y extrapesados (
58 Diseo de Instalaciones de Produccin
2. Calcular las constantes A y B del modelo, verificar que el peso molecular
de la fraccin pesada se conserve.
3. Calcular las composiciones de pseudocomponentes.
4. Reagrupar los pseudo-componentes en caso de ser necesario.
5. Calcular las propiedades de la nueva fraccin pesada.
59 Diseo de Instalaciones de Produccin
4. SEPARACIN DE LOS FLUIDOS PRODUCIDOS
Objetivo especfico: al trmino de la unidad, el participante ser capaz de
identificar los fenmenos que determinan la separacin de fluidos.
Principios de separacin de mezclas de hidrocarburos
Los principios bsicos, leyes fsicas y accesorios utilizados para separar el gas
del lquido son la gravedad, las fuerzas centrfugas, el efecto de deflectores y
platos perforados o mallas. Otro efecto aprovechado para separar el lquido del
gas, es el efecto de mojamiento, que consiste en la propiedad que poseen las
pequeas gotas del lquido de adherirse a deflectores y platos por adhesin y
capilaridad. Tambin, las cadas de presin a travs de pequeos orificios de
coladores ocasionan que el lquido caiga.
Los separadores son construidos de tal forma que el fluido entra produciendo
un movimiento rotacional, impartiendo al fluido un movimiento centrfugo que
ocasiona que el lquido choque con las paredes del recipiente y caiga por
gravedad. A medida que el lquido cae, choca con los deflectores y platos,
producindose por agitacin separaciones ulteriores. El gas sale por el tope y el
lquido por el fondo.
El nivel de lquido del separador es controlado por una vlvula flotante y una
vlvula tipo back pressure a la salida del separador, controla la presin de
salida del mismo.
Factores que afectan el proceso de separacin
La presin de operacin de un separador depende tanto de la presin fluyente
del tubing del pozo (THP), como de la relativa cantidad de gas natural presente
en la fase lquida. De acuerdo con el diagrama de fases, un cambio en esta
presin, afecta las densidades de gas y de lquido, la velocidad de los fluidos y
60 Diseo de Instalaciones de Produccin
el volumen actual de la mezcla. El efecto neto de un incremento en la presin,
es un incremento en la capacidad de gas del separador.
La temperatura afecta la capacidad del separador, slo si afecta el volumen
actual de la mezcla y las densidades del gas y el lquido. El efecto neto de un
incremento de la temperatura, es una disminucin en la capacidad de
separacin. Los controles de temperatura generalmente involucran sistemas de
enfriamiento, que generalmente van acompaados de intercambiadores de
calor, torres de enfriamiento, etc.
La composicin de la mezcla multifsica, la tasa de flujo, las propiedades
fsicas de la mezcla, diseo del equipo, extractores de neblina, grado de
agitacin del fluido, rea de la interfase gas-lquido, volmenes de gas y
petrleo, cantidad y tipo de agua y grado de emulsin de la mezcla, son en
general los factores a considerar en un proceso de separacin gas-petrleo.
Niveles y etapas de separacin
Para obtener una separacin ms eficiente y completa, 2 o ms separadores se
conectan en serie, reducindose la presin en cada etapa, lo que se conoce
como etapas o niveles de separacin o separacin en mltiples etapas.
El lquido saliendo de cada separador, experimenta una separacin de gas,
cada vez que se reduce la presin en la etapa subsiguiente.
Este sistema es usado en aquellos lugares donde es preferible tener pequeas
cantidades de gas en solucin en la fase de petrleo, o un pequeo destilado
en la corriente de gas. Estas separaciones mltiples, operacionalmente
eficientes, dan como resultado productos lquidos de calidad y gas seco.
Para mejorar la separacin y recuperacin mxima de lquidos, puede
combinarse con las etapas de separacin, la instalacin de depuradores de gas
o scrubber y el enfriamiento del gas.
61 Diseo de Instalaciones de Produccin
Diseo general de separadores gas-lquido
Separadores fsicos
Prcticamente cada proceso en la industria petrolera requiere de algn tipo de
separacin de fases. El trmino separador es aplicado a una gran variedad de
equipos usados para separar mezclas de dos o ms fases. Estas mezclas
pueden estar formadas por: una fase vapor y una lquida; una fase vapor y
una slida; dos fases lquidas inmiscibles (aceite/agua); una fase vapor y dos
lquidas o alguna otra combinacin de las anteriores.
El diseo apropiado de los separadores es de suma importancia, debido a que
estos tipos de recipientes son normalmente los equipos iniciales en muchos
procesos. Un diseo inadecuado puede crear un cuello de botella que reduzca
la capacidad de produccin de la instalacin completa.
Principios de separacin
En el diseo de separadores, es necesario tomar en cuenta los diferentes
estados en que pueden encontrarse los fluidos y el efecto que sobre stos
puedan tener las diferentes fuerzas o principios fsicos.
Los principios fundamentalmente considerados para realizar la separacin fsica
de vapor, lquidos o slidos son: el momentum o cantidad de movimiento, la
fuerza de gravedad y la coalescencia. Toda separacin puede emplear uno o
ms de estos principios, pero siempre las fases de los fluidos deben ser
inmiscibles y de diferentes densidades para que ocurra la separacin.
a) Momentum (Cantidad de Movimiento): fluidos con diferentes
densidades tienen diferentes momentum. Si una corriente de dos fases
cambian bruscamente de direccin, el fuerte momentum o la gran velocidad
adquirida por las fases, no permiten que la partculas de la fase pesada se
muevan tan rpidamente como las de la fase liviana, este fenmeno provoca la
separacin.
62 Diseo de Instalaciones de Produccin
b) Fuerza de Gravedad: las gotas de lquido se separan de la fase gaseosa,
cuando la fuerza gravitacional que acta sobre las gotas de lquido, es mayor
que la fuerza de arrastre del fluido de gas sobre la gota. Estas fuerzas definen
la velocidad terminal, que matemticamente se presenta usando la siguiente
ecuacin:
3
4
C
dV
g
glgg
t
Ec. 4.1
Donde: En
unidades
SI
En
unidades
Inglesas
Vt = Velocidad terminal de la
gota de lquido
m/s pies/s
g = Aceleracin de la gravedad 9.807 m/s2 32.174
pie/s2
dg =Dimetro de la gota m pies
g = Densidad del gas kg/m3 lb/pie3
l = Densidad del lquido kg/m3 lb/pie3
C = Coeficiente de arrastre que
depende del Nmero de
Reynolds
Adimensional
63 Diseo de Instalaciones de Produccin
Para caso de decantacin de una fase pesada lquida discontinua en una fase
liviana lquida continua, aplica la ley de Stokes (Ec. 4.2).
18
gdFV
LP
2
g1
t Ec.4.2
Donde:
En
unidades
SI
En
unidades
Inglesas
Vt = Velocidad terminal de
decantacin
m/s pies/s
dg =Dimetro de la gota m pies
F1 = Factor cuyo valor
depende de las unidades
usadas
1000 1
g = Aceleracin de la
gravedad
9.807 m/s2 32.174
pie/s2
p = Densidad de fase pesada kg/m3 lb/pie3
L = Densidad de fase liviana kg/m3 lb/pie3
= Viscosidad de la fase
continua
mPas lb/pie/s
g
gl
c FV
2 Ec. 4.3
64 Diseo de Instalaciones de Produccin
Donde:
En
unidades
SI
En
unidades
Inglesas
Vc = Velocidad crtica m/s pies/s
l = Densidad del lquido a
condiciones de operacin
kg/m3 lb/pie3
g = Densidad del vapor a
condiciones de operacin
kg/m3 lb/pie3
F2 = Factor cuyo valor
depende de las unidades
usadas
0.048 0.157
c) Flujo Normal de Vapor: el flujo normal de vapor (o gas), es la cantidad
mxima de vapor alimentada a un separador a condiciones tpicas de
operacin (es decir, en ausencia de perturbaciones tales como las que
aparecen a consecuencia de inestabilidades del proceso, o a prdidas de la
capacidad de condensacin aguas arriba del mismo).
Los separadores son altamente efectivos para flujos de vapor del orden de
150% del flujo normal y, por lo tanto, no es necesario considerar un sobre
diseo en el dimensionamiento de tales tambores. Si se predicen flujos mayor
es al 150%, el diseo del tambor debe considerar dicho aumento.
65 Diseo de Instalaciones de Produccin
Eficiencia de separacin
La eficiencia de separacin del lquido se define segn la Ecuacin 4.4.
F
CFE
100 Ec. 4.4
Donde:
En
unidades
SI
En
unidades
Inglesas
E = Eficiencia de separacin,
%
F = Flujo del lquido
alimentado al tambor
kg/s lb/h
C = Lquido arrastrado hacia
la cabecera del tambor
kg/s lb/h
a) Internos
Para ayudar al proceso de separacin y/o impedir problemas de operacin
aguas abajo del equipo separador, dentro del tambor se incluyen ciertos
aparatos, que son conocidos genricamente como internos.
Entre los internos ms usados se tienen:
- Deflectores / Distribuidores / Ciclones de entrada: estos aditamentos internos
adosados a la(s) boquilla(s) de entrada, se emplean para producir un cambio
de cantidad de movimiento o de direccin de flujo de la corriente de entrada, y
as producir la primera separacin mecnica de las fases, adems de generar
66 Diseo de Instalaciones de Produccin
(en el caso de los distribuidores), un patrn de flujo dentro del recipiente que
facilite la separacin final de las fases, reduciendo posiblemente el tamao de
la boquilla de entrada y, en cierta medida, las dimensiones del equipo mismo.
Eliminadores de Niebla: los eliminadores de niebla son aditamentos para
eliminar pequeas gotas de lquido que no pueden ser separadas por la simple
accin de la gravedad en separadores vaporlquido. Entre los diferentes tipos
existentes, destacan las mallas de alambre o plstico, conocidos popularmente
como demisters o Mallas.
Rompe vrtices: estn adosados internamente a las boquillas de lquido, y su
funcin es evitar el arrastre de burbujas de vapor/gas en la corriente lquida
que deja el tambor.
Los separadores pueden clasificarse, segn su forma en:
Separadores cilndricos.
Separadores esfricos.
Separadores de dos barriles.
Tambin los separadores cilndricos pueden clasificarse segn su orientacin
en:
Separadores verticales.
Separadores horizontales.
Otra clasificacin sera de acuerdo a la manera de inducir fsicamente la
separacin:
Separadores por gravedad (tpico separador vertical gas
lquido).
Separadores por impacto (separadores de filtro).
Separadores por fuerza centrfuga (separadores centrfugos).
67 Diseo de Instalaciones de Produccin
A continuacin, se hace una breve descripcin de algunos de estos tipos de
separadores y, en el caso de los separadores ms usados (verticales y
horizontales), se presentan algunas ventajas y desventajas.
- Separadores Verticales (figura 20)
En estos equipos, la fase pesada decanta en direccin opuesta al flujo vertical
de la fase liviana. Por consiguiente, si la velocidad de flujo de la fase liviana
excede levemente la velocidad de decantacin de la fase pesada, no se
producir la separacin de fases, a menos que esta fase pesada coalesca en
una gota ms grande.
Figura 20. Separador vertical.
Fuente: Proceso y manejo de gas, Engineering Consultants
1
68 Diseo de Instalaciones de Produccin
Entre las ventajas y desventajas del separador vertical estn:
Ventajas
Normalmente empleados cuando la relacin gas o vaporlquido es alta,
y/o cuando se esperan grandes variaciones en el flujo de vapor/gas.
Mayor facilidad, que un tambor horizontal, para el control del nivel del
lquido, y para la instalacin fsica de la instrumentacin de control,
alarmas e interruptores.
Ocupa poco espacio horizontal.
La capacidad de separacin de la fase liviana no se afecta por variaciones
en el nivel de la fase pesada.
Facilidad en remocin de slidos acumulados.
Desventajas
El manejo de grandes cantidades de lquido, fuertes variaciones en la
entrada de lquido, o separacin lquidolquido, obliga a tener excesivos
tamaos de recipientes, cuando se selecciona esta configuracin.
Requieren mayor dimetro, que un tambor horizontal, para una capacidad
dada de gas.
Requieren de mucho espacio vertical para su instalacin.
Fundaciones ms costosas cuando se comparan con tambores horizontales
equivalentes.
Cuando hay formacin de espuma, o quiere desgasificarse lquido ya
recolectado, se requieren grandes volmenes de lquido y, por lo tanto,
tamaos grandes de tambores verticales.
Como ejemplos de separadores verticales, tenemos:
Tambor de succin de compresor: se requiere una separacin lquido
vapor muy eficiente, especialmente para tambores asociados a
69 Diseo de Instalaciones de Produccin
compresores reciprocantes. Estos tambores KO se disean para incluir
malla separadora de gotas y, algunas veces, se agrega calentamiento por
trazas de la salida vapor para evitar condensacin en la lnea.
Tambor de la alimentacin al Absorbedor de Gas cido: se necesita
una separacin lquidovapor muy eficiente, para evitar la formacin de