TECNOLOGIA DEL G.N.-I

COMANDO DE INSTITUTOS MILITARES

Escuela Militar de Ingeniera

Mcal. Antonio Jos de Sucre BOLIVIASEPARADORES BIFASICOSINTRODUCCION

En el proceso de separacin de los fluidos de formacin, que est constituido por la mezcla de gas, petrleo y agua, que estos salen de los pozos a superficie durante la produccin, se produce debido al efecto de la liberacin de presiones y los cambios de temperatura cuando la mezcla circula por el tubing hasta la boca de pozo hasta dirigirse a los diferentes tipos de separadores necesarios.

OBJETIVOS

El objetivo de este trabajo es de analizar y profundizar los conceptos y de los diferentes tipos de separadores para la separacin de los hidrocarburos ya sean estos gas-liquido, gas-liquido-petrleo que existen.

MARCO TEORICO

DEFINICION GENERAL:Es un cilindro de acero que por lo general se utiliza en los procesos de produccin, procesamiento y tratamiento de los hidrocarburos para disgregar la mezcla en sus componentes bsicos, petrleo y gas.

Adicionalmente, el recipiente permite aislar los hidrocarburos de otros componentes indeseables como la arena y el agua.

Los separadores son usados para remover los lquidos de los gases. Los campos modernos de petrleo que lidian con crudos incluyen mediciones para regalas y pago de impuestos, los cuales requieren que todo el gas no disuelto sea removido del petrleo crudo antes de la medicin. Adicionalmente, la venta del gas seco en muchos casos es una fuente considerable de ingresos. Los Separadores de petrleo y gas lidian y soportan una gran cantidad de masa de materiales con una gran eficiencia.

Por ejemplo: con un flujo de 10MmSCF por da de gas con una gravedad y especifica de 0.70 y 1000 de bbl por da de 35API de petrleo, el separador est manipulando 270 toneladas de gas y 150 tonelada de liquido por da.

El separador para campos de petrleos usual permite un mximo de trasporte de lquido de 0.10 gal de lquido por milln de SCF de gas, o un mximo de 10 partes de lquido transportado por cada milln de partes de material manipulado.

Separadores gas-petrleo.- son considerados como recipientes de alta presin diseados para separar los componentes de los fluidos del pozo, bajo ciertas condiciones de presin, temperatura y volumen. Se definen como equipos hermticos, cerrados cuyos elementos internos, que varan de acuerdo al tipo de separador, provocan un proceso de separacin por el mecanismo de funcionamiento que es comn para todos los tipos de separadores y que de acuerdo a la utilizacin mxima de su eficiencia deben separar los mximos porcentajes de los componentes incluyendo los sedimentos que salen con la mezcla.

PRINCIPIOS DE SEPARACION:1.- En los campos petroleros los efectos de separacin ms usados son:

Fuerzas de Gravedad Fuerza Centrifuga

Cambios en la Cantidad de Movimientos

Fuerzas electroestticas2.- En el procesamiento de gas los efectos ms usados son:

Absorcin

Adsorcin

Fuerzas de Gravedad

Fuerzas Centrifugas

Filtracin

Cambios en la Cantidad de Movimiento Fuerza de Gravedad.- Las gotas de lquido se separan de la fase gaseosa, cuando la fuerza gravitacional que acta sobre las gotas de liquido es mayor que la fuerza de arrastre del fluido de gas sobre la gota.

Fuerza Centrifuga.- El separador centrifugo funciona mediante el efecto de la fuerza centrifuga. El agua contaminada con slidos e hidrocarburos/aceites se inyecta tangencialmente a lo largo de la circunferencia del estanque cilindro-cnico para permitir la separacin de las partculas pesadas. El aceite libre es retirado de la superficie del estanque y se almacena en el acumulador de hidrocarburos. Las partculas que pueden precipitar sedimentan al fondo del estanque, desde aqu son drenadas a un filtro de bolsa de fcil remplazo.

Cambios en la Cantidad de Movimientos (momentum Lineal).- Los fluidos con diferentes densidades tienen diferentes momentum. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de direccin, el fuerte momentum o a la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que las partculas de la fase pesada se muevan tan rpidamente como las de la fase liviana, este fenmeno provoca la separacin. Fuerzas Electroestticas.- Consiste en someter la emulsin a un campo elctrico intenso, generado por la aplicacin de un alto voltaje entre dos electrodos. La aplicacin del campo elctrico sobre la emulsin induce a la formacin de dipolos elctricos en las gotas de agua, lo que origina una atraccin entre ellas, incrementando su contacto y su posterior coalescencia. Como efecto final se obtiene un aumento del tamao de las gotas, lo que permite la sedimentacin por gravedad. Coalescencia.- Las gotas muy pequeas no pueden ser separadas por gravedad. Estas gotas se unen por medio del fenmeno de coalescencia, para formar gotas mayores, las cuales se acercan lo suficiente como para superar las tensiones superficiales individuales y poder de esta forma separarse por gravedad.

Absorcin.- este es uno de los procesos de mayor utilidad en la industria de gas natural. El proceso consiste en remover e vapor del agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto liquido. El liquido que sirve como superficie absorbente debe cumplir con una serie de condiciones, como por ejemplo:

Alta afinidad con el vapor de agua y ser bajo costo.

Estabilidad para regeneracin.

Viscosidad baja.

Baja presin de vapor a la temperatura de contacto. Baja solubilidad con las fracciones liquidas del gas natural.

Baja tendencia a la formacin de emulsiones y produccin de espumas.

Loa glicoles y el metano son los lquidos de mayor uso en la deshidratacin del GN. El metanol, como agente deshidratantes es de alto costo.

Adsorcin.- Es el proceso mediante el cual un slido poroso (a nivel microscpico) es capaz de retener partculas de gas en su superficie tras entrar en este en contacto con este.Una de las aplicaciones ms conocidas de la adsorcin en el mundo industrial, es la extraccin de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a travs de un lecho de almina activa u otros materiales con efecto de adsorcin a la molcula de agua. La saturacin del lecho se consigue sometiendo a presin el gas o el aire, as la molcula de agua es adsorbida por la molcula del lecho, hasta su saturacin. La regeneracin del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire pre secado a travs del lecho.

FUNCIONES DE LOS SEPARADORES:Las funciones que deben cumplir un separador son:

1. Hacer una primera separacin de fases entre los hidrocarburos de la mezcla.

2. Cuando el proceso de separacin ocurre entre la fase gaseosa y liquida, la funcin del separador ser: refinar el proceso de separacin mediante la recoleccin de las partculas liquidas atrapadas en la fase gaseosa, y de partculas del gas atrapadas en la fase liquida.

3. Liberar parte de la fase gaseosa que haya quedado atrapada en la liquida.

4. Descartar por separado la fase liquida y gaseosa, que salen del separador, con el objetivo de evitar que se vuelvan a mezclar, lo que hara que el proceso de separacin sea de una baja eficiencia.

FUNCIONES DE OPERACIN DE LOS SEPARADORES:Para que un separador pueda cumplir con sus funciones debe satisfacer lo siguiente:

Controlar la energa el fluido al entrar al separador.

Las tasas de flujo deben responder a ciertos rasgos de volumen.

La turbulencia que ocurren en la seccin ocupada por el gas debe ser minimizada.

La acumulacin de espuma y partculas contaminantes deben ser eliminadas.

Las salidas de los fluidos deben estar previstas de los controles de presin. Las regiones de acumulacin de slidos deben tener prevista la remocin de estas fases.

El separador debe tener vlvulas de alivio.

El recipiente debe estar provisto de manmetros, termmetros, controles de nivel, etc.

El separador debe tener bocas de visitas.

CLASIFICACION DE LOS SEPARADORES:Los separadores se pueden clasificar de varias maneras:

Dependiendo de las fases que separan.

De la forma.

De la posicin.

De la utilizacin o condiciones de trabajo, etc. BIFSICOS TRIFSICOS

En cuanto a las fases que separan; pueden ser bifsicos o trifsicos, sern bifsicos si solamente separan gas y lquido y trifsicos si separan gas, petrleo y agua. Los bifsicos son ms comunes y los trifsicos se usan generalmente donde hay crudos livianos y no se presentan emulsiones. Separadores Bifsicos

Separadores TrifsicosEn cuanto a la forma; pueden ser cilndricos o esfricos. Los cilndricos son los ms comunes pero los esfricos son bastante usados en campos de gas y cuando deben trabajar a presiones altas.

Separadores Cilndricos o EsfricosEn cuanto a su posicin; esto se refiere a los separadores cilndricos, pueden ser verticales y horizontales; estos ltimos pueden ser de un solo cilindro o dos. Los verticales se usan cuando hay una RGL ms bien baja y en pozos que puedan tener produccin de arena; los horizontales de un solo tubo se usan cuando se tienen RGL altas pero una tasa lquida estable, y los de dos tubos pueden manejar ms fcil producciones altas, dan ms tiempo de reposo al lquido para extraerle el gas y pueden manejar ms fciles relaciones gas-lquidos altas. Separadores Verticales

Separadores Horizontales

De acuerdo a su utilizacin; en una batera hay separadores de prueba, y generales y separadores de alta y baja presin; estos dos ltimos existen cuando a una batera llegan pozos con presiones bastante altas y se requieren dos o ms etapas de separacin, cada una a una presin menor que la anterior.DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS DE SEPARACION BIFASICOS (GAS-LIQUIDOS):Tiempo de retencin; es el tiempo en donde el liquido y el gas alcanzan el equilibrio con la presin del separador, se le conoce tambin como el tiempo promedio que una molcula de liquido es retenida en el tanque asumiendo flujo tapn. Este tiempo de retencin est entre 30 seg y 3 min cuando hay presencia de burbujeo este tiempo cuatriplica el requerido.Hay tres tipos de separadores bifsicos y son los HORIZONTALES, VERTICALES Y ESFERICOS, los cuales nos interesa.Separador Horizontal Bifsico.- El fluido entra al separador y choca con el deflector interno causando la separacin, a esto se le llama la separacin inicial del liquido y vapor, la fuerza de gravedad causa que el liquido se vaya hacia el fondo provee un tiempo de retencin del cual ayuda a que os gases y lquidos encuentren el equilibrio a una presin.

Separador Horizontal BifsicoSeparador Vertical Bifsico.- Tiene la misma descripcin que el separador horizontal, pero este utiliza cuando en la produccin de hidrocarburos lquidos hay una cantidad de gas que de aceite.

Separador Vertical BifsicoSeparador Esfrico Bifsico.- Estos se puede decir que tambin operan de la misma manera, pero no se utilizan mucho, ya que su capacidad para liquido est limitada y su diseo fabricacin son muy difciles para un campo de separacin de aceite.

Separador Centrifugo.- Estos equipos sirven para separar slidos y lquidos de una corriente de gas. Su diseo es especial y propio de cada fabricante; el cual debe ser consultado para obtener asistencia sobre el dimensionamiento de este tipo de separador.

Filtros Separadores.- Este tipo de separador tiene una mayor eficiencia que el separador centrfugo, pero usa elementos de filtracin que deben ser reemplazados peridicamente. De la misma forma que el separador centrfugo, su diseo es especial y propio de cada fabricante.

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS DE SEPARACION BIFASICOS (GAS-LIQUIDOS):Se utilizan separadores verticales si el caudal del lquido es bajo, para caudales superiores se utilizan los horizontales y los esfricos para alta presin.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS EQUIPOS DE SEPARACION BIFASICOS (GAS-LIQUIDOS):Separador Horizontal Bifsico: Ventajas: 1. Tienen mayor capacidad para manejar gas que los verticales.

2. Son ms econmicos que los verticales.

3. Son ms fciles de instalar que los verticales.

Desventajas: 1. No son adecuados para manejar flujos de pozos que contienen materiales slidos como arena o lodo, pues es difcil limpiar este tipo de separadores.

2. Control de nivel de lquido es ms crtico que en los se paradores verticales.

Separador Vertical Bifsico: Ventajas: 1. Es fcil mantenerlos limpios, por lo que se recomiendan para manejar flujos de pozos con alto contenido de lodo, arena o cualquier material slido.

2. El control de nivel de lquido no es crtico, puesto que se puede emplear un flotador vertical, logrando que el control de nivel sea ms sensible a los cambios.

3. Debido a que el nivel de lquido se puede mover en forma moderada, son muy recomendables para flujos de pozos que producen por bombeo neumtico, con el fin de manejar baches imprevistos de lquido que entren al separador.

4. Hay menor tendencia de revaporizacin de lquidos.

Desventajas: 1. Son ms costosos que los horizontales.

2. Son ms difciles de instalar que los horizontales.

3. Se necesita un dimetro mayor que el de los horizontales para manejar la misma cantidad de gas.

Separador Esfrico Bifsico: Ventajas: 1. Ms baratos que los horizontales o verticales.

2. Ms compactos que los horizontales o los verticales, por lo que se usan en plataformas costa afuera.

3. Son ms fciles de limpiar que los separadores verticales.

4. Los diferentes tamaos disponibles los hacen el tipo ms econmico para instalaciones individuales de pozos de alta presin.

Desventajas: 1. Tienen un espacio de separacin muy limitado.

Separador Centrifugo:

Ventajas: 1. La principal ventaja de un separador centrfugo sobre un filtro separador, es que requiere mucho menos mantenimiento. Desventajas: 1. Algunos diseos no manejan baches de lquido (slugs).2. La eficiencia no es tan buena como en otro tipo de separadores.

3. La cada de presin tiende a ser ms alta que en separadores con elementos de vena o con extractor de niebla.4. Para altas eficiencia tiene un rango de flujo muy estrecho.MARCO PRCTICOVALORES DE K PARA EL CALCULO DEL TAMAO DEL RECIPIENTESeparadores verticales bifsicosLa seleccin del valor de la cte. K para los separadores verticales atiende las tasa msicas del gas y del liquido depositadas en la unidad. El usuario de esta informacin debe conocer todo lo relativo al comportamiento de las fases en las mezclas de los hidrocarburos, de modo tal que pueda calcular lo siguiente:

Donde:WI = tasa de flujo de liquido [lb/seg]

Wg = tasa de flujo de vapor [lb/seg]

El clculo de la velocidad critica es el parmetro mas importante en el diseo del separador vertical, porque con ellas se determinar la velocidad, por encima de la cual las gotas de los lquidos arrastradas por el gas no se desprendern de la corriente gaseosa, por lo tanto, es la velocidad mxima para la cual se puede disear un separador.

PASO-1: Calcular la velocidad de diseo de gas:

PASO-2: Calcular la tasa de flujo volumtrico del gas:

Donde:

Qg =tasa de flujo volumtrico de vapor.Wg =tasa de flujo de vapor.g =densidad de vapor (a temperatura y presin de operacin).

PASO-3: Determinar el rea de la seccin transversal del recipiente.

Una vez conseguida la velocidad de gas dentro del recipiente, se procede a calcular el rea de la seccin transversal del separador, del siguiente modo:PASO-4: Calcular el dimetro interno del recipiente.

PASO-5: Estimar la tasa de flujo volumtrico del liquido:

Donde:

QL =tasa de flujo volumtrico del liquido.WL =tasa de flujo msico de liquido.L =densidad de liquido (a temperatura y presin de operacin).

PASO-6: Calcular el volumen de retencin de lquidos:

Donde:

Tret = tiempo de retencin del liquido.

PASO-7: Hallar la altura del lquido en el recipiente:

Donde:

hl =altura de liquido.VI =volumen de retencin del liquido.A =rea de la seccin transversal.

PASO-8: Calcular el dimetro de la boquilla:

PASO-9: Determinar la velocidad del gas en la boquilla:

Ejemplo:

El ejercicio comprende de un diseo de un separador vertical bifsico. Que se calcula siguiendo la normativa PDVSA. A tal efecto se verifican la tasas msicas para seleccionar el valor de K.

Lo nuevo en este ejemplo es el dimetro calculado es de 6'. La altura del extractor de niebla es de 0,5', es una decisin del diseador, la separacin entre el extractor y el tope de la boquilla es de 60% del dimetro de la unidad. La entrada del fluido ha sido calculada en el mismo ejercicio de 1,5'. La altura entre la boquilla y el nivel de lquido 2' segn la norma y la altura necesaria para almacenar el lquido, se obtiene como una conclusin de los cmputos.Todo esto totaliza entre costura y costura, lo cual determina una esbeltez L/D = 3

Se desea separar 50 MMpcd de gas, de gravedad especifica 0,8; de 25Mbpd de crudo de 30 API, a 200 psia y 100F. Dimensionar el separador vertical requerido.

BIBLIOGRAFIA

http://instructivoseparador.blogspot.com/p/separadores.html http://separadores comunidadpetrolera.com/separador.bifasico.html http://instructivoseparador.com/p/tipos-de-separadores.html

CONSTRUIR PARA INTEGRAR, LO IMPOSIBLE REALIZAR.