teorico separador bifasico

8/19/2019 teorico separador bifasico

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “GABRIEL RENÉ MORENO”

DIRECCIÓN UNIVERSITARIA DE INVESTIGACIÓN FACULTAD INTEGRAL DEL CHACO CARRERA DE INGENIERÍA DEL GAS NATURAL Y PETRÓLEO

DISEÑO DE UN SEPARADOR VERTICALBIFÁSICO (AGUA-PETRÓLEO)

AUTOMATIZADO

DOCENTE TUTOR: ING. NAHIR MEDINA

EQUIPO DE TRABAJO: MARCO ANTONIO GUZMÁN BARJA WEIMAR HERRERA CASTAÑOS CARLOS EDUARDO VACA VACA VIVIANA CABALLERO BARRIGA DAYANA PEÑARRIETA

Camiri - Santa Cruz, Estado Plurinacional de BoliviaOctubre, 2014


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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “G ABRIEL RENÉ MORENO”. DIRECCIÓN UNIVERSITARIA DE INVESTIGACIÓN F ACULTAD INTEGRAL DEL CHACO. C ARRERA DE INGENIERÍA DEL G AS N ATURAL Y PETRÓLEO

C AMIRI, S ANTA CRUZ, ESTADO PLURINACIONAL DE BOLIVIA. 2015

ÍNDICE GENERAL

Pág.

ÍNDICE GENERAL ............................................................................................................. i

LISTA DE CUADROS ........................................................................................................ iii

LISTA DE FIGURAS ..........................................................................................................iv

1. OBJETIVOS ............................................................................................................. 1

1.1 General ............................................................................................................ 1

1.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 1

2. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 1

3. FUNDAMENTO TEÓRICO......................................................................................... 2

3.1 Separadores .................................................................................................... 2

3.2 Separadores bifásicos ....................................................................................... 2

3.3 Consideraciones iniciales en el diseño de un separador gas-líquido ...................... 2

3.4 Parámetros que intervienen en el diseño de separadores ..................................... 3

3.4.1 Composición del fluido que se va a separar .............................................. 3

3.4.2 Flujo normal de vapor ............................................................................. 33.4.3 Presión y temperatura de operación ......................................................... 3

3.4.4 Factor de compresibilidad del gas (Z) ....................................................... 4

3.4.5 Velocidad crítica ..................................................................................... 4

3.4.6 Constante de K (Souders & Brow) ........................................................... 4

3.4.7 Tiempo de retención ............................................................................... 5

3.4.8 Relación longitud/diámetro ...................................................................... 6

3.5 Dispositivos Internos Internos del Separador ....................................................... 6

3.5.1 Desviadores de entrada .......................................................................... 6

3.5.2 Placas anti espuma ................................................................................ 73.5.3 Rompedores de vórtices ......................................................................... 8

3.5.4 Extractor de neblina ................................................................................ 8

4. AUTOMATIZACIÓN DEL SEPARADOR VERTICAL BIFÁSICO................................... 10

4.1 Valvula de seguridad y alivio ............................................................................ 13


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4.2 Valvulas de contra presión ............................................................................... 14

4.3 Valvulas de control de líquido .......................................................................... 14

5. OPERACIÓN DEL SEPARADOR VERTICAL BIFÁSICO (PETRÓLEO-AGUA) ............. 14

6. CONCLUSIÓN ........................................................................................................ 15

Anexos ..................................................................................................................... 16

Anexo A. Separador vertical ........................................................................................... 17

Anexo B. Separador horizontal ....................................................................................... 18

Anexo C. Separador esférico .......................................................................................... 19

Anexo D. Tipos de recipientes ........................................................................................ 19

Anexo E, Ventajas y desventajas de los separadores ....................................................... 20


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LISTA DE CUADROS

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Cuadro 1. Factor de K para velocidades superficiales permitidas .............................. 4

Cuadro 2. Tiempo de retención .................................................................................. 5

Cuadro 3. Características del crudo según API. (Parámetro Internacional del Instituto Americano de Petróleo) ............................................................................. 5


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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Deflector de regulación .......................................................................................... 7

Figura 2. Entrada ciclónica ................................................................................................... 7

Figura 3. Rompedor de remolinos ........................................................................................ 8

Figura 4. Cojines de mallas de alambres .............................................................................. 9

Figura 5. Extractor tipo veleta ............................................................................................... 9

Figura 6. Separador vertical bifásico automatizado .............................................................11


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1. OBJETIVOS

1.1 GENERAL

Estudiar los fundamentos teóricos que permitan una óptima comprensión dela terminología relacionada con el área de las separaciones físicas defluidos, haciendo énfasis en la separación bifásica, con el fin de diseñar unseparador vertical bifásico con las condiciones necesarias para separar

Agua-Petróleo.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Relacionar los fundamentos teóricos con la práctica en el diseñopropiamente dicho

Automatizar el separador bifásico

Verificar el buen funcionamiento del separador

2. JUSTIFICACIÓN

Los equipos de separación como su nombre lo indica, se utilizan en la industriapetrolera para separar mezclas de gases y líquidos.

Es importante realizar una separación gas-líquido adecuada, debido a que enestaciones de flujo donde no se cuenta con los equipos de separación adecuados,en los procesos de separación gas-petróleo, gran parte del gas es venteado oquemado. En este proceso partículas de petróleo liviano con el gas lo queocasiona una pérdida económica significativa.

El propósito esencial de todo separador es liberar la fase deseada completamente

de la(s)otra(s) como sea posible, y para esto hay que seleccionar el proceso físicoadecuado.


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3. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1 SEPARADORES

Es un cilindro de acero que por lo general se utiliza en los procesos deproducción, procesamiento y tratamiento de los hidrocarburos para disgregarla mezcla en sus componentes básicos petróleo y gas. Adicionalmente elrecipiente permite aislar los hidrocarburos de otros componentes.

3.2 SEPARADORES BIFÁSICOS

Son recipientes capaces de separar el gas y líquido inmiscible. Se empleanpara dejar lo más libre posible el gas del petróleo y viceversa a presiones ytemperaturas definidas.

3.3 CONSIDERACIONES INICIALES EN EL DISEÑO DE UN SEPARADOR GAS-LIQUIDO

Para el diseño adecuado de un separador gas-líquido, es necesario tomar encuenta los puntos siguientes:

La energía que posee el fluido al entrar al recipiente debe ser controlada

Los flujos de las fases líquida y gaseosa deben estar comprendidosdentro de los límites adecuados que permitan su separación a través de

las fuerzas, gravitacionales que actúan sobre esos fluidos y queestablezcan el equilibrio entre las fases gas-líquido.

La turbulencia que ocurre en la sección ocupada principalmente por elvapor debe ser minimizada.

La acumulación de espuma y partículas contaminantes deben sercontroladas.

Las fases líquidas y vapor no deben ponerse en contacto una vezseparadas.

Las regiones del separador donde se puedan acumular sólidos deben,en lo posible estar provistos de facilidades adecuadas para su remoción.


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El equipo será provisto de la instrumentación adecuada para sufuncionamiento adecuado y seguro en el marco de la unidad/planta a laque pertenece.

3.4 PARAMETROS QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO DE SEPARADORES

Al iniciar el diseño de un separador, se debe tomar en cuenta las ventajas ydesventajas que se tienen de los equipos, ya sea vertical u horizontal, lacantidad de fluidos a manejar, porque si deben manejar grandes volúmenesel adecuado sería el horizontal debido a su mayor capacidad para separar.La secuencia del cálculo y el costo comparativo de los recipientes son losque van a señalar la factibilidad de usar un determinado recipiente.

Los principales parámetros que entran en juego son los siguientes :

3.4.1 COMPOSICION DEL FLUIDO QUE SE VA A SEPARAR Es cierto que la mayoría de los ingenieros no analizan conantelación la composición de la alimentación, sino que parten de undeterminado volumen y tipo de fluido, supuestamente conocido alhacer la selección. Pese a esto, es conveniente que el diseñadoresté familiarizado con el concepto de equilibrio de fases yseparación instantánea, con el fin de predecir cuál será la cantidad ycalidad del gas y de líquido que se formarían en el separador, en lascondiciones de presión y temperatura de diseño.

3.4.2 FLUJO NORMAL DE VAPOR El flujo normal de vapor (o gas) es la cantidad máxima de vaporalimentada a un separador a condiciones típicas de operación (esdecir, en ausencia de perturbaciones tales como las que aparecen aconsecuencia de inestabilidades del proceso o a pérdidas de lacapacidad de condensación aguas arriba del mismo). Losseparadores son altamente efectivos para flujos de vapor del ordende 150% del flujo normal y, por lo tanto, no es necesario considerarun sobrediseño en el dimensionamiento de tales separadores. Si sepredicen flujos mayores al 150%, el diseño del separador debe

considerar dicho aumento.

3.4.3 PRESION Y TEMPERATURA DE OPERACION

El estudio previo de las variaciones de presión y temperatura en elsitio donde se instalará la unidad afectará, de manera determinante,


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la selección del equipo. La mayoría de los operadores no sedetienen a pensar cómo se afectan las condiciones de operación albajar la presión. Existe la seguridad de que al elevar la presionpodría fallar el material, pero no se analiza el incremento de lavelodidad dentro del sistema al bajar, un descenso abrupto,

manteniendo constante el caudal, eleva la velocidad interna delequipo, porduce espuma, arrastre de los fluidos y puede volar elextractor de niebla.

3.4.4 FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DEL GAS (Z)

El valor de Z determina el volumen del gas en las condiciones deoperación. El diseñador deberá seleccionar el modelo másconveniente para que los resultados coincidan con los valores decampo.Densidad de los fluidos en las condiciones de operación

La densidad de los fluidos dentro del separador interviene de modo

directo. Es fácil calcular la densidad del gas en las condiciones de

operación. En el caso de los líquidos, muchas personas trabajan en

condiciones normales, bajo el supuesto del efecto de los cambios de

presión y temperatura afectan muy poco los resultados finales.

3.4.5.- VELOCIDAD CRITICA

La velocidad crítica es una velocidad de vapor calculadaempíricamente que se utiliza para asegurar que la velocidadsuperficial de vapor, a través del separador, sea lo suficientementebaja para prevenir un arrastre excesivo de líquidos. Tal velocidad noestá relacionada con la velocidad sónica.

3.4.6 CONSTANTE DE K (SOUDERS&BROW)

Es uno de los parámetros que mayor relevancia tiene en el momentode predecir el comportamiento de los fluidos dentro de un recipiente.En cierto modo, es el valor que se acerca o aleja las predicciones delfuncionamiento real del sistema.

Cuadro 1. Factor de K para velocidad superficiales permitidas


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3.4.7 TIEMPO DE RETENCION

La capacidad líquido de un separador depende principalmente deltiempo de retención del líquido en el recipiente, una buenaseparación requiere de un tiempo suficiente para lograr el equilibrioentre la fase líquida y la fase gaseosa a la temperatura y presión deseparación.

Cuadro 2. Tiempo de retención

La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo deacuerdo a su densidad API (Parámetro Internacional del Instituto

Americano de Petróleo), que diferencia las calidades del crudo. Algunas características del Aceite Crudo:

Cuadro 3. Características del crudo según API. (Parámetro Internacionaldel Instituto Americano de Petróleo)


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El petróleo boliviano es muy liviano en comparación al obtenido enotros países, los cuales dificultan la obtención de productos pesadoscomo diesel, aceites, lubricantes, asfaltos entre otros. El petróleoboliviano se encuentra dentro del grupo de los aceites crudos

superligeros.Por consiguiente se estima un tiempo de retención de 3 minutos delcrudo dentro del recipiente.

3.4.8 RELACION LONGITUD /DIAMETRO

Existe una constante dimensional llamada R, que permite determinarla relación entre la longitud de costura (Lss) con el diámetro delseparador. Este parámetro permite determinar el diseño máseficiente y económico, se toma el valor de R entre los valores de 3 y

4.

Aunque para algunos casos específicos en diseño de separadoresverticales la altura de líquido ocasiona restricciones y permite queexistan valores de relación longitud/diámetro muy bajos.

3.5 DISPOSITIVOS INTERNOS DEL SEPARADOR

3.5.1 DESVIADORES DE ENTRADA

Existen muchos tipos de desviadores, pero los más utilizados sondos tipos. El primero es el deflector de regulación. Este puede ser unplato esférico, placa plana, plancha de ángulo o algún otrodispositivo que genere un cambio rápido en la dirección y velocidadde los fluidos.


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El diseño de este regulador se basa principalmente en la capacidadque tenga de disminuir el impulso (momentum) de impacto.

Figura 1.Deflector de regulación

El segundo dispositivo se conoce como ciclón de entrada, el cualusa la fuerza centrífuga en lugar de la agitación mecánica paraseparar el petróleo del gas. Esta entrada puede tener una chimeneaciclónica o usar una carrera de fluido tangencial a través de lasparedes.

Figura 2.Entrada ciclónica

3.5.2 PLACAS ANTI ESPUMA

La espuma se forma cuando las burbujas de gas se liberan dellíquido. La espuma es la principal causa para un rendimiento pobreen los separadores.


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La separación de espuma limita la separación de gas-líquido en elseparador. Para lograr la separación de espuma éstas partículasdeben ser descompuestas.

3.5.3 ROMPEDORES DE VORTICES

Se utiliza para disminuir la presencia de un vórtice o remolinocuando la válvula de control de líquido está abierta, debido a queéste absorbe gas del vapor y lo remezcla en la salida de líquido.

Figura 3. Rompedor de remolinos

3.5.4 EXTRACTOR DE NEBLINA

Hay dos dispositivos que son los más utilizados: cojines de mallasde alambres y extractores de veleta.

Cojines de mallas de alambres: las gotas de líquido pasan a travésde la malla de alambre produciendo un choque entre ellas ygenerando la coalescencia, lo que permite que éstas cambien dedirección y regresen a la fase líquida. Estos cojines con el tamañoapropiado pueden llegar a remover el 99% de las gotas de 10micrones.


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Figura 4. Cojines de mallas de alambres

Extractor tipo veleta, éste obliga al flujo de gas a ser laminar entrelas placas paralelas que contienen el cambio direccional. Las gotaschocan con la placa de superficie donde la coalescencia hace quelas gotas caigan en la parte líquida.

Figura 5. Extractor tipo veleta


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4. AUTOMATIZACIÓN DEL SEPARADOR VERTICAL BIFÁSICO

La presión de operación puede ser controlada mediante una válvula de

contrapresión operada por contrapeso, resorte o piloto de gas. Cuando el gas esenviado a una tubería, la presión mínima del separador normalmente es fijada porla presión de transmisión o por la presión del sistema de recolección. Losseparadores deberán estar equipados con uno o más controles de nivel dellíquido. Normalmente bifásica, activa una válvula de vaciado para mantener elnivel de líquido requerido.

Al tratarse de un separador vertical bifásico existen 5 variables a controlar:

Entrada de la mezcla de fluido (Electroválvula)

Nivel de líquido (petróleo) en el recipiente (Sensor óptico de nivel) Producción de Agua a la salida del separador (Electroválvula)

Producción de petróleo a la salida del separador (Electroválvula)

Válvula de alivio o de seguridad en caso de sobrepresión en la parte superiordel recipiente


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Figura 6. Separador vertical bifásico automatizado


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4.1 VALVULA DE SEGURIDAD Y ALIVIO

Són válvulas que se calibran a la máxima presión de operación y sirven paraproteger la integridad física del equipo contra presiónes excesivas, en elcaso de existir alguna obstrucción en las salidas o un aumento anormal a laentrada.

Todos los separadores independientemente del tamaño o la presión,deberán estar provistos de dispositivos de protección de presión fijados deacuerdo con los requerimientos del código ASME. Para suministrarcapacidad necesaria de alivio pueden utilizarse múltiples dispositivos dealivio de presión, como una válvula de alivio de presión conjuntamente conun disco de ruptura. La válvula de alivio normalmente se fija a la máxima


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presión de trabajo permisible, el disco de ruptura normalmente se selccionapara aliviar presiones mayores a la presión de ajuste de la válvula de alivio.Los dispositivos de alivio de presión no necesitan ser suministrados por elfabricante del separador, pero la protección de sobrepresión deberá serprovista antes de poner en servicio el separador.

4.2 VALVULAS DE CONTRA PRESION

Van colocadas en la tubería de salida de gas del separador y controlan lapresión del separador.

4.3 VALVULAS DE CONTROL DE LIQUIDO

Van en las descargas de líquidos y son reguladoras mediante un controladorde nivel de líquidos.

5. OPERACIÓN DEL SEPARADOR VERTICAL BIFÁSICO (PETROLEO-AGUA)

El flujo de entrada entra al recipiente por un lado, el desviador de ingreso hace laseparación bruta inicial. El líquido fluye hacia abajo a la sección de recolección delíquidos en el recipiente, y luego baja a la salida de líquidos. Cuando el líquidollega al equilibrio, las burbujas de gas fluyen en sentido contrario a la dirección delflujo de líquidos y eventualmente migran al espacio de vapor.El controlador de nivel siente cambios en el nivel del líquido y controla la válvula de

descarga.

En la sección de asentamiento de gravedad, las gotas de líquido caen haciaabajo, en sentido opuesto a la dirección del flujo de gas. El gas pasa por lasección de fundición/extractor de neblina antes de salir del recipiente.

Algunas gotas son de un diámetro tan pequeño que no son fácilmente separadasen la sección de asentamiento de gravedad. Por lo tanto, antes que el gas salga

del recipiente, pasa por una sección de fundición, o un extractor de neblina. Estasección emplea aletas, malla de alambre, o placas para fundir y remover las gotasmuy pequeñas.


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Un controlador abre y cierra la válvula de control de presión en la salida de gaspara mantener la presión deseada en el recipiente.

6. CONCLUSIÓN

La constante K de Souders & Brown es un parámetro crítico y fundamentalpara el diseño y evaluación de los separadores de campo.

En separadores bifásicos, si predomina la tasa de gas, se impone en el diseñoy no se obliga a estar dentro del rango de longitudes.

En el separador bifásico se ha despreciado el volumen del gas.

Existe un rango de operación específico para cada tipo de separador.

Las variables de presión, temperatura y volumen nos determinarán el diseñoadecuado de un separador para establecer el diámetro y la altura correctos.

Se ha logrado realizar la separación bifásica del petróleo y el agua de acuerdoa los requerimientos internos de diseño de un separador bifásico.


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ANEXOS


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ANEXO A. SEPARADOR VERTICAL


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ANEXO B. SEPARADOR HORIZONTAL


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ANEXO C. SEPARADOR ESFÉRICO

ANEXO D. TIPOS DE RECIPIENTES


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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “GABRIEL RENÉ MORENO”. DIRECCIÓN UNIVERSITARIA DE INVESTIGACIÓN

ANEXO E, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SEPARADORES

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