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SEPARACION
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Separadores
Por que realizar la separación de fluidos?
Fases de separación:
• Gas
• Hidrocarburos líquidos
• Agua o no hidrocarburos
• Sólidos
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Factores que influyen en la separación?
• Caudales de Fluido
• Presión y temperatura de operación
• Propiedades físicas de los fluidos
• Presencia de impurezas
• Tendencia a espumar
• Presencia de corrosivos
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Tipos de Separadores
Según el número de Fases:
• Bifásicos
• Trifásicos
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• Más grandes en diseño
• Maneja baches de gran volumen
• Funcionamiento y diseño simple
• Operación sencilla
• Más baja presión de operación
Líquidos/Sólidos Gas
Gas
Liquidos Sólidos
Entrada
Liquidos Sólidos
Separadores Bifásicos
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• Altas Presiones de Operación
• Incrementa la complejidad del diseño
• Complejo para ajustar los parámetros de operación.
Separadores Trifásicos
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Tipos de Separadores
Según el diseño:
• Verticales
• Horizontales
• Ciclónicos
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• Alta concentración de sólidos
• Uso de fuerza centrifuga
Separadores Ciclónicos
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Comparación Separadores H/V
Consideración Horizontal VerticalEficiencia de Separación ☻Manejo de sólidos ☻Capacidad (= diámetro) ☻Espacio para instalación ☻Alto GOR ☻Facilidad de Inspección / Mantenimiento ☻Flexibilidad/ Adaptabilidad a operación ☻
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Componentes externos separador
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Válvula de Seguridad
Dispositivos de alivio de presión
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Medición de Crudo:
Medidores de Turbina
Medidores de Flujo
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Medición de Crudo:
Medidor Floco
Medidores de Flujo
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Medición de Crudo:Medidor Rotron
Medidores de Flujo
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Medición de Gas:Medidores Daniels (+ Cartas Barton)
Medidores de Flujo
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Cartas Barton
Medidores de Flujo
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Termómetros
Medición de Temperatura
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Control de presión
Medición / Control de Presión
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Control de nivel de líquidos
Medición / Control de Nivel
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Mirillas de vidrio
Medición / Control de Nivel
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Componentes internos separador
A: Inlet Baffle B: Coalescing Pack C: Vertical Baffles D: Vortex Breakers E: Oil Level Displacement Element F: Mist Extractor
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Separación de liquidos del gas (Extractor de Niebla)
Demister
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Vane Packs
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Separación de liquidos
Vertical Bafles
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Rompedores de Vortice
Vortex Breaker
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Boquillas de lavado (Para lavar los solidos), Para separadores bifasicos.
Manejo de solidos
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Dimensionamiento de Separadores
Desarenador
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Separadores Verticales de Dos Fases
1. Seleccionar el tiempo de retención (en minutos) para la fase líquida (tr). En la mayoría de las aplicaciones se ha encontrado que es suficiente con tiempos de retención entre 30 segundos y 3 minutos, para asegurar la correcta aproximación al equilibrio entre las fases. Cuando existe alta tendencia a la formación de espuma, se aceptan tiempos de retención de hasta cuatro veces los valores mencionados.
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Separadores Verticales de Dos Fases
Tiempo de Retención
Gravedad API Crudo Tiempo (min)> 35 API 1
20 – 35 API 1 – 210 – 20 API 2 – 4
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2. Calcular el diámetro mínimo (dmín) para la caída de las gotas de aceite a través del gas. Para la separación de las gotas de hasta 100 micrones se usa la expresión simplificada:
KP
TZQd gmín
5042
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K es una constante que depende de las propiedades del líquido y del gas y del tamaño de la gota a ser separada del gas. Se define como:
gasdellidadcompresibi deFactor psiaoperación,dePresión
MMscfdgas,deFlujoRoperación,deaTemperatur
pulg ,recipiente del mínimo Diámetro:Donde
ZP
QTd
g
mín
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De acuerdo a las densidades del gas (g), del líquido (l) y del coeficiente de arrastre de la ley de Stokes (CD). Para la separación de las gotas de hasta 100 micrones, K se puede aproximar de acuerdo a diagramas estandarizados que se ajustan a las siguientes correlaciones de acuerdo a la gravedad API de la fase orgánica a separar:
2/1
D
gl
g CK
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específicaGravedadcon:Donde
STPSx
100983.02676.02581.01512.00299.0
201063.02749.02606.01462.00268.0
301142.02822.02631.01412.00237.0
401221.02895.02657.01362.00206.0
234
234
234
234
APISixxxxK
APISixxxxK
APISixxxxK
APISixxxxK
Separadores Verticales de Dos Fases
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3. Se selecciona un diámetro estándar para el recipiente, mayor a dmín. Usando el tiempo de retención se determina la altura del volumen de líquido en el separador mediante la restricción:
12.02 lrQthd
pulg ), a(mayor doselecciona estándar Diámetro
pulglíquido, de Altura:Donde
mínddh
Separadores Verticales de Dos Fases
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4. Las tolerancias que corresponden a la sección de separación del gas, al extractor de niebla y al espacio por debajo de la descarga del líquido; se usan para calcular la longitud entre costuras.
pulgPara
pulgPara
3612
40
3612
76
ddhL
dhL
SS
SS
piecosturas, entre Longitud:Donde SSL
Separadores Verticales de Dos Fases
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5. Se repiten los dos anteriores pasos con diferentes diámetros estándar de recipientes, para seleccionar la combinación apropiada entre diámetro y longitud, sabiendo que se recomienda en este caso que la relación de alargamiento del recipiente (12LSS/d) se encuentre entre 3 y 4.
Separadores Verticales de Dos Fases
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Ejercicio 1:
Dimensionar un separador de dos fases vertical para una corriente a 60 ºF y 1000 psia que tiene un flujo de gas de 10 MMscfd con una gravedad específica de 0.6 y 2000 bpd de líquido con 40 ºAPI. El factor de compresibilidad para este gas se calculó como 0.84.
Separadores Verticales de Dos Fases
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1. Se selecciona tr=2 min
2. La relación S*P/T es 1.1538 y K se calcula aproximadamente como 0.264. De esta manera se calcula un diámetro mínimo del recipiente de 24.1 pulg.
5. La iteración sobre los pasos 3 y 4 arroja la siguiente tabla:
Separadores Verticales de Dos Fases
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De la anterior tabla se puede observar que de acuerdo al criterio de relación de alargamiento, el separador más apropiado es el número 2, con un diámetro de 30 pulgadas y una longitud entre costuras de 9.4 pies.
Separadores Verticales de Dos Fases
N° d (pulg) h (pulg) LSS (pie) 12LSS/d1 24 57.9 11.2 5.62 30 37 9.4 3.83 36 25.7 8.5 2.84 42 18.9 8.4 2.3
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Separador Horizontal de Tres Fases
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1. Seleccionar los tiempos de retención (en minutos) para las fases acuosa (tr)w y orgánica (tr)o. Es común usar tiempos de retención entre 3 y 30 minutos dependiendo de los datos de laboratorio o de campo. Si no se dispone de esta información, se sugiere el uso de 5 -10 minutos para el diseño.
Separador Horizontal de Tres Fases
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Tiempo de Retención
Gravedad API Crudo Tiempo (min)> 35 ◦API 3 – 5 < 35 ◦API100+ ◦F 5 – 1080+ ◦F 10 – 20 60+ ◦F 20 – 30
Separador Horizontal de Tres Fases
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2. Calcular el espesor máximo de la capa orgánica que permite la coalescencia y separación de las gotas de agua en el tiempo (tr)o.
2)()(00128.0)( mor
máxo
dSth
cp orgánica, fase la de Viscosidadmicrones separan, se que gotas las de mínimo Diámetro
aceite el y agua del sespecífica gravedades las entre Diferenciapulgorgánica, capa la de máximo Espesor:Donde
m
máxo
dSh )(
Separador Horizontal de Tres Fases
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Para separación de gotas de hasta 500 micrones:
)()(
320)(St
h ormáxo
Separador Horizontal de Tres Fases
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3. Calcular la fracción de la sección transversal del recipiente ocupada por la fase acuosa.
wwroor
wrww
QtQttQ
AA
)()()(
5.0
bpd agua, de Flujobpd aceite, de Flujo
agua elpor ocupada ansversalsección tr la deFracción :Donde
w
o
w
QQAA
Separador Horizontal de Tres Fases
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4. Determinar la relación entre el espesor de la fase acuosa y el diámetro del recipiente (ho)máx/dmáx. Normalmente se efectúa mediante diagramas estandarizados que se ajustan a la siguiente ecuación:
496.01033.2632.6189.15766.12)( 234
AA
AA
AA
AA
dh wwww
máx
máxo
Separador Horizontal de Tres Fases
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5. Despejar el diámetro máximo del equipo (dmáx, pulg), determinado por el espesor máximo de la fase orgánica.
6. Calcular la restricción de capacidad de gas (separación de las gotas de hasta 100 micrones).
K se define de la misma manera que para separadores verticales de dos fases.
KP
TZQLd geff
42
pulg ), a (menor estándar Diámetro
pie,separación la
para efectiva Longitud:Donde
máx
eff
dd
L
Separador Horizontal de Tres Fases
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7. Calcular la restricción de tiempo de retención para el aceite y el agua.
orowrweff tQtQLd )()(42.12
Separador Horizontal de Tres Fases
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8. Determinar si gobierna la capacidad de gas o el tiempo de retención de los líquidos. Para diámetros estándar de recipientes menores al diámetro máximo calculado anteriormente, se calculan las longitudes efectivas de acuerdo a cada una de las dos restricciones, siendo la restricción gobernante aquella que arroja los mayores valores.
Separador Horizontal de Tres Fases
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9. Calcular la longitud entre costuras de acuerdo a la restricción gobernante.
líquido el controla si
gas el controla si
effSS
effSS
LL
dLL
34
12
Separador Horizontal de Tres Fases
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10. Para diferentes diámetros estándar de recipientes menores al diámetro máximo calculado anteriormente, seleccionar la combinación apropiada entre diámetro y longitud, sabiendo que se recomienda en este caso que la relación de alargamiento del recipiente (12LSS/d) se encuentre entre 3 y 5.
Separador Horizontal de Tres Fases
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Ejercicio:
Dimensionar un separador de tres fases horizontal para una corriente a 90°F y 100 psia, que tiene un flujo de gas de 5 MMscfd con una gravedad específica de 0.6, 5000 bpd de aceite de 30 °API y 10 cp, junto con 3000 bpd de agua libre de gravedad específica 1.07. Suponga tiempos de retención pasa las dos fases líquidas de 10 minutos.
Separador Horizontal de Tres Fases
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2. La gravedad específica del aceite se calcula a partir de la gravedad API mediante:
De esta manera se calcula un espesor máximo de la capa orgánica (ho)máx de 62 pulgadas.
3. La fracción de la sección transversal ocupada por la fase acuosa es entonces: Aw/A=0.1875
5.1315.141
API
So
Separador Horizontal de Tres Fases
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4. La relación entre el espesor de la fase acuosa y el diámetro del recipiente es: (ho)máx/dmáx=0.25
5. Por lo tanto, el diámetro máximo del recipiente es: dmáx=247.7 pulg
6. Si el factor de compresibilidad es 0.9, la restricción de capacidad de gas se calcula como 147.6
Separador Horizontal de Tres Fases
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7. La restricción de tiempo de retención para el aceite y el agua se calcula como 113600
8. Se encuentra que la restricción gobernante es la correspondiente al tiempo de retención para el aceite y el agua
10. La iteración sobre los pasos 8 a 10 arroja la siguiente tabla:
Separador Horizontal de Tres Fases
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De la anterior tabla se puede observar que de acuerdo al criterio de relación de alargamiento, los separadores más apropiados son los números 2, 3 y 4 con diámetros de 72, 78 y 84 pulgadas y longitudes entre costuras de 29.2, 24.9 y 21.5 pies respectivamente.
Separador Horizontal de Tres Fases
N° d (pulg) Leff (pie) LSS (pie) 12LSS/d
1 60 31.6 42.1 8.42 72 21.9 29.2 4.93 78 18.7 24.9 3.84 84 16.1 21.5 3.15 96 14.0 18.7 2.56 102 12.3 16.4 2.1