Modulo 5 - ores Reales

8/8/2019 Modulo 5 - ores Reales

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Especialización en Ingeniería del GasEscuela de Ingeniería de Petróleos - Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas

Módulo 5 – Separadores Reales

Diseño Asistido Por Computador




Principios de la Separación de Fases

Tres princ ip ios son usados para logra r la separac ión d e gas ylíquidos o sólidos:

Cam bio d e Momentum Asenta miento por Graved ad

Coalescencia

Cua lquier sep arador pued e emp lea r uno o má s de estosprinc ip ios, pero pa ra lograr la separac ión las fases deben tener,las siguientes c arac te rísticas:

Inmiscibles Tener d iferentes densidades




Conservación del Momentum

Este p rinc ip io es ap lic ab le en c uanto : dos fases fluyend o c on

d iferentes densidades siem pre tendrán d iferentes mom entum.Si una c orriente c on d os fases c amb ia b rusc amente de d irec c ión elaumento d el mom entum no permite q ue las pa rtíc ulas de la fasemá s pesada se d esp lac en ta n ráp idamente c omo las del fluido m ásliviano y así la separac ión oc urra .




Asentamiento por Gravedad

Las gotas de líquido se asentaran más ráp ido, liberándose de la fase

g aseosa , si la fuerza d e la g ra ved a d q ue a tra e la s g ota s es m ayorque la fuerza de arrastre del gas fluyendo alrededor de las gotas.




Para desc rib ir este efec to se utiliza la siguiente ec uac ión:

( )p l g

t

l g

2gMρ -ρV

ρ ρ C'

=

( )p l g

tg

4gDρ -ρV =

3ρ C'


Ap : Área sec c ional de la pa rtíc ula o g ota .ρg: Densidad de la fase ga seosa (lb / p ie3)ρl: Densidad de la fase líquida (lb / p ie3)Dp: Diáme tro d e la g ota (pies)

g: Ac elerac ión loca l de la graved ad (32.2 pie/ seg 2)Vt: Veloc idad te rminal o c rític a (p ie/ seg )C’ : Coeficiente d e a rrastre d e la p a rtíc ula .Mp : Ma sa de la go ta o pa rtíc ula (lb )QA: Flujo rea l de gas (p ie3 /seg)W: Flujo to ta l de líquidos (ba rril/ d ia)

t: tiempo de retenc ión (min)U: Volumen d e la sec c ión de a senta miento(barriles)





El c oe fic iente d e arrastre C ’ es func ión de la forma de la partíc ula y

del número d el número d e Reynolds (Re) del gas fluyendo.

El número d e Reynolds está definido c omo:

Para resolver las ec uac iones se utiliza la c orrelac ión g rá fic a y lasiguiente formula :

µ: Visc osidad de la fase c ont inua (cp )

p t g

e

1,488D Vρ

R = μ

( )( )

( ) ( )

8 3

2 g p l g

e 2

0.95 10ρ D ρ -ρC' R =

μ




Coeficiente de Arrastre




Asentamiento por GravedadLey de Stokes

Para números de Reynolds ba jos (menores de 2) existe una relac ión

linea l entre e l c oefic iente de a rrastre y e l número d e Reynolds:

La ley d e Stoke’ s ap lic a para este c aso y la veloc idad termina l o

c rític a pued e expresarse c om o:

El d iámetro m áximo de partíc ula pa ra Re = 2, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.0080

-1

eC'=24R

( )2

p l g

t

1,488Dρ -ρV =

18μ




Asentamiento por GravedadLey de Stokes

El d iámetro m áximo de partíc ula pa ra Re = 2, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.0080 y donde Dpse ob tiene de la siguiente ec uac ión:

( )

0.332

p RC

g l g

μD =K

gρ ρ -ρ




Asentamiento por GravedadLey Intermedia

Para números de Reynolds c omprend idos entre 2 y 500, la ley

intermed ia a p lic a y la ve loc idad termina l de a senta miento pued eexpresarse c omo:

El d iámetro máximo d e partíc ula pa ra Re = 500, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.334

( )0.71

0.71 1.14

p l g

t 0.29 0.43

g

3.49g Dρ -ρV =

ρ μ




Asentamiento por GravedadLey de Newton

La ley d e New ton es ap lic ab le p a ra números de Reynold ’ s en e l

rango d e 500 a 200,00, y tiene ap lic ab ilidad para la sep arac ión d epartíc ulas de g ran ta maño (fla re knoc kout d rum). El va lor límite d elc oefic iente de a rrastre es 0.44 pa ra número de Reynolds mayores a500.

El límite sup erior de Re para este rango es de 200,000 y el de KCResde 18.13

( )p l g

t

g

gDρ -ρV =1.74

ρ





Para cada una de las leyes anteriores existe un diámetro de partícula crítico porencima del cual la ley no aplica.

Kcr = 18.13 para ley de NewtonKcr = 0.334 para ley Intermedia

Kcr = 0.025 para ley de Stokes




Coalescencia

Cua ndo las pa rtíc ulas son demasiado peq ueñas c omo en las

neb lina s polvos y/ o d ispersiones, es imposib le separa rlas por el sólofenómeno de las fuerzas de a trac c ión g ravita c iona l. Se busc a enestos c asos que las pa rtíc ulas c oa lesc an y c rezc an p ara separa rlas.

Los c oa lesc edores c onsisten en e lementos c on c ana les de a lta

to rtuosidad a través de los c ua les los gases son fo rzados. Elmomentum de las gota s hac en q ue estas c hoq uen unas c on o tras yc on el elemento c oa lesc ed or forma ndo go tas de ta ma ño má sgrande , que p ueden sed imentarse p or g ravedad .

Son e jemplos de elementos c oa lesc edores las ma llas metá lic as, loselementos de láminas onduladas y los filtros de c a rtuc ho.




Eliminador de Rocío tipo Vane

Los eliminadores de rocío t ipovane utilizan un espac iore la t ivamente cerrado con una rreg lo que p roporc iona unflujo sinusoida l o en zig-zag . Elc amb io en la d irec c ión del

flujo de gas c omb inado c onla inerc ia de las gotas delíquido, causan el choque delas gotas en la superfic ie de lalámina , seguido por la

c oalesc encia y drenaje.

Gas y finas gotasson forzadas a

cambiar dedirección varias

veces, pasando a

través del arreglo

de aletas

Las gotas grandes mantienen sumomento mientras viajan en

trayectorias rectas, chocando lasaletas y adhiriendose.

Las gotas capturadas sefusionan hasta cuando

alcanzan el suficientepeso para ser drenadas




Al igua l que para el eliminador de roc ío tipo mesh, los

parámetros de rend imiento son la e fic ienc ia de remoc ión de lasgotas y el manejo de c apac idad de gas. La ec uac ión deSoud ers a nd Brow n en c onjunto c on el fa c tor d e c a pa c id ad oc arga pueden utilizarse para c a lcula r la c apac idad deleliminad or de rocío t ipo vane.

Rendimiento de Eliminadores de Rocío tipo Vane




Criterios de Dimensionamiento de SeparadoresManejo de Líquidos (Tiempo de Residencia)




Clasificación de los separadores

Cada tipo de separador tiene ventajas específicas y limitaciones. La selección deun tipo de separador está basada en muchos factores incluyendo lascaracterísticas del vapor de producción a ser tratado, disponibilidad del espaciodel suelo en el sitio de la facilidad, transporte y costo.

• Separadores verticales.

• Separadores Horizontales

• Separadores Esféricos




SELECCIÓN DEL TIPO DE SEPARADOR

VERTICAL

Peq ueños volúmenes de g asy/o líquidos

Muy a ltas relac iones gas/ líquidoo c uando el volumen de gas esbajo.

El espac io p ara la insta lac ión eslimitado.

Cuando se desea fác il c ontrol

de nivel.

HORIZONTAL

Grand es volúmenes de g as y/olíquidos.

Altas a med ias relac ionesgas/líquido.

Tend enc ia de líquidos a formarespumas.

Sep arac ión trifásic a .




SEPARADORES HORIZONTALES

VENTAJAS

Requiere menores diámetrospara capac idades simila resc omparado c on las vasijas

verticales. No ha y contrac orrientes (el flujo

de g as no se opone a l d rena jedel eliminador de roc ío).

Grand es áreas sup erfic iales de

líquido para d ispersión d eespuma. Gran ca pa c ida d p ara

incremento d e volumen.

DESVENTAJAS

Solamente parte d e la c a rc asade la vasija está d isponible parael pa so de gas.

Oc upa má s espac io. El c ontrol de nive l de líquido es

crítico. Es más d ifíc il de limp iar si hay

prod ucc ión d e a renas, lod os,

c eras, pa ra finas, etc .




Separadores Horizontales

Usua lly liquid residenc e time dom ina ted

Typ ica l L/ Ds

Rule of thumb for two phase sep ara tors:

U = superfic ia l gas ve loc ity (m/s) k = constant (= 0.133 w ith o r w ithout

w ire mesh dem ister) L = sep ara to r leng th (t/ t) (m ) ρl = liquid density (kg/ m3) ρg = ga s density (kg / m3)

API rec omme nded residenc e time s

56.05.0

048.3

×

−⋅=

Lk U

g

gl

ρ

ρ ρ

Operating Pressure

(bara)

Typical L/D

0 to 20 3

20 to 40 4

Over 40 5

Oil Relative Density Retention Time (min.)

< 0.85

> 0.85 > 100oF

80 – 100oF

60 – 80oF

3 – 5

5 – 10

10 – 20

20 – 30

INLET OUTLET

OUTLET

HHLL

HLL

LLLD

150 mm THICK DEMISTER

0.3D OR300 mm MIN

1 min. HOLD-UPOR 250 mm MIN

1 min. HOLD-UP

1 min. HOLD-UPOR 300 mm MIN




Separadores Horizontales / Esféricos




SEPARADORES VERTICALES

VENTAJAS

El c ontrol de nivel de líquido noes c rítico.

Tiene un buen d rena je de fondo

que la fac ilita la limp ieza . Pued e manejar más a rena s,

lod os, pa ra finas y ceras sintaponarse.

Dispone d e todo e l d iáme tro

para flujo d e g as en el tope ypara el flujo de líquidos en elfondo.

Oc upa menos espa c io.

DESVENTAJAS

Req uiere mayor d iámetro pa rauna c ap ac ida d d eterminada degas, son m ás c ompet itivos para

muy ba ja o muy a ltas relac ióngas/líquido.

No se rec omienda donde hayaposib ilidad de slug.




Separadores Verticales












Separadores TrifásicosOil/Water/Gas

Water will still containsome oil (ppm-level)




Tipos de separadores según sufunción

Existen diferentes tipos de separadores, de acuerdo con la función quedesempeñan, algunos de ellos son:

• Separadores de agua libre

• Despresurizadores.

• Separadores especiales

• Separadores generales y de prueba

• Slug catchers

• Separador por expansión o recipiente de expansión




Secciones del separador.

Un separador consta generalmente de cuatro secciones, aunque esto puede variar

dependiendo del tipo de separador. Las cuatro secciones son:

A. Sección de separación primaria.B. Sección de separación secundaria.C. Sección acumuladora de líquido.D. Sección extractora de neblina.




Sección de Separación Primaria

Cyclone Inlet Device

Cyclone Inlet Device withPerforated Baffle Plate Inlet Diffuser & Cascade Tray

This device provides primary V/Lseparation. The liquids aredelivered below the liquid surface

Portatest




Sección de Separación Primaria




Sección de Separación Secundaria

Liquid coalescer

Foam Reducing Pack Assembly




Sección Acumuladora de Líquido

Baffle Plate Set




Sección Extractora de Neblina

El gas fluye

alrededordel alambre

Pequeñas gotasfluyen alrededor del

alambre con el gas

Gotas grandes

chocan el alambrey se adhieren

Las gotas capturadascoalescen y caen

G í d S l ió d Eli i d d




Guía de Selección de Eliminadores de Niebla Convencionales

Malla de Alambre Vane Malla de Fibra Ciclones

Costos 1 2 – 3 10 3 – 5

Capacidad deGas

5 6 – 15 1 15 – 20

Capacidad deLíquido

5 10 1 10

Tamaño dePartículas

3 – 10

Micrones

10 – 40

Micrones

< 0.1

Micrones

7 – 10

Micrones

Presencia de

Sólidos3 10 1 8

Escala relativa basada en 1 como lo más bajo. Los otros han sido escalados.




Fenómeno de Arrastre e Inundación

Finas capasde inundación

en el fondo dela malla

Zona activa,captura de

niebla y drenaje

Zona inactivaseca

Zona inundadasustancialmente,

agitada por el gasascendente

Largas gotas

son arrastradasy comienzan a

escapar

Zona activamás alta en

la malla

Toda la mallaes inundada

y agitada

La mayoría de laniebla capturada

es arrastrada

Pocascantidades de

líquido sondrenadas

Punto A:

Velocidad optima,

baja carga de líquido

Punto B:

Alta velocidad y carga de líquido:

comienza el arrastre

Punto C:

Velocidad y carga de líquido excesivas:

inundación y mayor arrastre

M t j I t d Eli i d




Montaje Incorrecto de un Eliminador de Niebla

Eliminador de niebla

Baja

eficiencia Arrastre

Velocidad dentro delrango de operación

Distancia

corta

Perfil de velocidad no uniforme

M t j C t d Eli i d d




Montaje Correcto de un Eliminador de Niebla




Configuraciones Múltiples

Configurac ión Ma lla -Aleta pa ra Ma yorEfic ienc ia de Separac ión

Gas confina niebla

Malla operando a

velocidades porencima del punto de

arrastre

La mayoría de lasgotas capturadas son

arrastradas como

grandes gotas

Malla

Unidas enalgunos

casos

Unidad

de aletas

Las aletas

capturan lasgotas

grandes

Drenaje dellíquido

separado

Gas libre

de niebla




Configuraciones Múltiples

Configurac ión Aletas-Ma lla para Altas Cargasde Líquidos

Gas con carga de líquidomuy pesada para la malla

Unidades de aletasremueven grandes gotas,

reduciendo eficientementela carga de niebla

Unidad

de aletas Malla

Baja cargade niebla,finas gotas

Sinespaciamiento

en algunoscasos

Gaslibre deniebla

Liquido

capturado ydrenado

Problemas en Internos Depositación




Problemas en Internos – Depositaciónde Naphthenatos




Separador de Prueba




Esquema Típico Separador de Entrada

EQUIPOS CON EXTRACTORES DE NEBLINA




EQUIPOS CON EXTRACTORES DE NEBLINA

Los elimina dores de neb lina son ut ilizados para separa r las

peq ueña s gotas que no fueron rem ovida s en la sep arac ión p rimariao en el asentamiento por graved ad del sep arador. Estas gotas sontíp ic amente menores de 150 a 500 mic rones de d iámetro.

Los eliminadores de neb lina c omúnmente usados son los de ma lla ylos de p lac as ond uladas.

WIRE MESH MIST EXTRACTOR




WIRE-MESH MIST EXTRACTOR

El rend imiento de separac ión de los eliminadores de roc ío tipoma lla tiene d os aspec tos princ ipa les:

Efic ienc ia de sep arac ión de g ota s

Capa cidad de ma nejo de gas

La efic ienc ia de rem oc ión es típ ic amente suministrada por elfab ric ante c omo una c urva q ue muestra e l % de remoc ión enfunc ión del tama ño de las go tas





WIRE-MESH MIST EXTRACTOREFICIENCIA





WIRE-MESH MIST EXTRACTOR

La c apac idad de g as en los eliminadores de roc ío t ipo w ire-mesh es universa lmente espec ific ado p or un fac tor de c a rga ode ta ma ño K que es utilizado en la ec uac ión d e Soud ers andBrown.

El á rea req uerida por el eliminador de roc ío es ob tenida de:

l g

t

g

ρ -ρV =K

ρ

A

t

QA=

V




WIRE-MESH MIST EXTRACTORFACTOR DE CAPACIDAD

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