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8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores
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ANEXO 1
DIMENSIONAMIENTO DE
SEPARADORES
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Salida de Gas
FD= Fuerza de arrastre
Gota de
líquido
Velocidad de
asentamiento
(Relativa a la
fase gas)
Vt=
Vg
FB=Fuerza
Bouyancia
(asentamiento)
Vg = Velocidad promedio
del Gas QA=
d
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SEPARADORES BIFASICOS
La velocidad terminal es dada por la relación:
Donde:
(1)
Vt Velocidad terminal o de asentamiento de la gota de
liquido en ft/s
dm Diámetro de la gota de líquido en micrones
l Densidad del liquido en lb/ft3
g Densidad del gas a condiciones de operación en
lb/ft3
CD Coeficiente de arrastre
Vt = 0.0119 l- g
g
dmCD
½
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SEPARADORES BIFASICOS
Donde:Re= numero de Reynolds, adimensional.
Donde:
Viscosidad del gas en cPμ=
(3)
(2)CD =24
Re+ 0.34
Re
3+
Re = 0.0049
g dmV
μ
½
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SEPARADORES BIFASICOS
La experiencia de campo indica que si en lasección de asentamiento de las gotas en el
separador son removidas las gotas de 140
micrones, la malla demister será capaz de
remover las gotas entre 10 y 140 micrones de
diámetro.
Se ha encontrado que tiempos de retención
entre 3 y 30 min son suficientes para la
mayoría de las aplicaciones. En crudos con
tendencia a formar espuma, se requieren
tiempos de retención hasta 4 veces mayores.
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TIEMPO DE RETENCION PARA
SEPARADORES BIFASICOS
°API TIEMPO DE RETENCION(min)
35 0.5 a 1
30 2
25 3
20 4
Si existe espuma, aumente los anteriores
tiempos de retención por un factor entre 2 y 4
Si existe alto CO2, use mínimo 5 minutos de
tiempo de retención.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
El diámetro mínimo del separador puedeestimarse mediante la siguiente ecuación:
Donde:
(4)
d Diámetro interno del separador en pulgadas
P Presión de operación en psia
T Temperatura de operación en °R
Z Compresibilidad del gas
Qg Caudal de gas en MMSCFD
d2
= 5.040
TZQg
P
g
l-
g
CD
dm
½
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
La altura requerida para la retención delliquido se estima a partir de la ecuación:
Donde:
(5)
h Altura del volumen de liquido en pulgadas (in)tr Tiempo de retención deseado para el líquido en
minutos (min)
Ql Caudal de líquido en BPD
d2 h =tr Ql0.12
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
La longitud del separador se estima mediante
las ecuaciones:
L ss = Longitud del separador de costura a
costura en pies.
Donde:
(7)
(6)L ss
=h + 76
12 (para diámetros < 36in)
L ss = h + d + 40
12
(para diámetros>36in)
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Salida de Gas
Extractor de niebla
Sección de
asentamiento
gravitacional
Sección de
choque
Sección
acumuladorade líquido
DrenajeD = diámetro mínimo para la separación del gas
Entrada
Salida de líquido
L o n g i t u d
4 »
h
2 4 » M i n .
d + 6 » o 4 2 » M i n .
6 »
Longitud de costura a costura para un separador vertical en pies.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
El procedimiento para dimensionar
separadores bifásicos verticales consiste en:
Establecer las bases de diseño. Estas incluyen los
caudales o flujos tanto de gas como de líquido quedeben separarse, la temperatura y la presión de
operación, tamaño de gota a ser removida.
Determinar mediante la ecuación 4 el diámetro
mínimo requerido para el separador.
Cualquier diámetro mayor que este valor se puede
usar.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
Para el diámetro seleccionado, determinar
mediante la ecuación 5 la altura requerida para
retener la fase líquida durante un tiempo de
residencia dado.
A partir de los valores de d y h, estimar la altura de
costura a costura (seam-to-seam) utilizando lasecuaciones 6 y 7. utilizar el mayor valor de Lss.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS VERTICALES
Asegúrese que la relación de esbeltez (Lss/d) sea
menor que 4
Seleccione un tamaño de recipiente estandar, esta
sera siempre la mas economica. Hasta 24
pulgadas de diámetro exterior se tendrán
dimensiones de tubería nominal. Para diámetros
mayores de 24 pulgadas se usará lámina enrollada
con incrementos de diámetro de 6 pulgadas.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Los separadores horizontales se operan 50%llenos de líquidos para maximizar el área
superficial de la interface gas-liquido.
Capacidad para manejo de gas que permitan que
las gotas de liquido caigan del ga a la fase liquida a
medida que atraviesan la longitud efectiva del
separador.
También debe proveer suficiente tiempo de
retención para permitir que el liquido alcance el
equilibrio con el gas.
Estas dimensiones deben satisfacer:
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Para un separador 50% lleno que separe gotasde líquido de 100 micrones, la siguiente
ecuación permite determinar sus dimensiones:
L eff = Longitud efectiva del separador donde
ocurre la separación, en pies.
Donde:
(8)dLeff = 420TZQg
PCDdm
½( )
g
l- g
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Para un separador horizontal 50% lleno de
liquido, que requiera manejar un caudal de
líquido y un tiempo de retención dados, la
siguiente ecuación se puede usar para
determinar el tamaño del separador:
(9)d2 Leff = tr QlO.7
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
De las ecuaciones 8 y 9 se puede calcular la
longitud efectiva del separador y con esta
puede determinarse la longitud costura a
costura.
La longitud costura a costura del separador
puede estimarse como el mayor valor
calculado con las ecuaciones:
(10)Lss = Leff + d
12
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Las ecuaciones 8 y 9 permiten seleccionarvarias opciones de diámetro y longitud. Para
cada diseño, existe una combinación de L eff y
d.
Una relación de esbeltez (12Lss /d) entre 3 y 4
es recomendada para diseñar separadores
bifásicos.
(11)Lss = (4/3) Leff
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
El procedimiento para dimensionar
separadores bifásicos horizontales 50% llenos
de líquido consiste en:
Establecer bases de diseño. Incluyen caudales
o flujos de gas y liquido que deben separarse,
la temperatura y la presión de operación y
tamaño de la gota a remover.
Preparar tabla con valores calculados de Leff para
valores seleccionados de d que satisfagan
ecuación 8. Calcule Lss usando ecuación 10
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Longitud costura a costura = Lss
Vg
Vt
Líquido
Convenciones:
Vg= Velocidad promedio del Gas
Vt= Velocidad terminal relativa al gas
FB= Fuerza de Buoyancia
QA=
Longitud efectiva = Leff SalidaEntrada
FB
Trayectoria de
la gota de liquido. dm
Vg
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Para los mismos valores de d calcule valores de
Leff usando ecuación 9 y liste estos valores en la
misma tabla. Calcule Lss usando la ecuación 11.
Para cada valor de d, el mayor valor de Leff
debería usarse.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
BIFASICOS HORIZONTALES
Calcule la relación de esbeltez (12 Leff /do) e
inclúyalo en la lista para cada valor de d.
seleccione una combinación de d y Lss que
tenga una relación de esbeltez entre 3 y 4.
Seleccione un tamaño de recipiente estándar
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SEPARADORES TRIFASICOS
Los conceptos de diseño utilizados en losseparadores bifásicos para la separación de
liquido y gas son aplicables a la separación de
gas que tiene lugar en los separadores
trifásicos.
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SEPARADOR TRIFASICO HORIZONTAL
Sección de asentamiento gravitacional
Desviador de entrada
Extractor de
niebla
salida
de gas
Salida de agua
Entrada
Petróleo y emulsión
Agua
PC
Válvula reguladora de
presión
L
C
Salida de petróleo
L
C
Válvula de control de nivel
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d
βd
αA
A = Ԓd2
4
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SEPARADORES TRIFASICOS
La separación agua-crudo ya sea por
asentamiento de gotas de crudo en agua o
gotas de agua en el crudo es gobernada por la
ley de Stokes. La velocidad terminal de la gota
es calculada mediante la ecuación:
Vt =1.78 x 10-6 ( ΔSG) d2 m
μ (12)
Donde:
Viscosidad de la fase continua en Cp
Diferencia en gravedad específica relativa
al agua entre las fases aceite y agua.
μ=
ΔSG=
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SEPARADOR TRIFASICO VERTICAL
Desviador de entrada
Entrada de
líquido
Aceite-Agua
interfaz
Agua
Petróleo
Gas
P
C
L
C
Salida de
agua
Salida de
petróleo y gas
Válvula reguladora de
presión
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SEPARADORES TRIFASICOS
Para obtener una corriente de emulsión
efluente del separador que contenga menos
del 5% al 10% de agua, hay que utilizar en los
cálculos un tamaño de gota de agua de 500micrones.
En sistemas de crudos pesados, algunas
veces es necesario diseñar para gotas de 1000micrones; en tales casos la emulsión efluente
puede contener 20% a 30% de agua
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SEPARADORES TRIFASICOS
El propósito fundamental de una separacióntrifásica es reducir el contenido de agua del
crudo para deshidratarlo en una etapa
posterior de tratamiento hasta lograr la
especificación requerida para su venta.
El contenido de aceite en el agua producida en
un separador trifásico puede ser entre 200 y
2.000 ppm. Es común usar tiempos deretención para el crudo entre 3 y 30 minutos en
el diseño de separadores trifásicos,
dependiendo de datos de laboratorio o campo.
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SEPARADORES TRIFASICOS
Se puede utilizar como guía los datosmostrados en la siguiente tabla.
°API Tiempos de
Retención (min)
Condensados 2 -5Crudos livianos (30 a 40) API 5 – 7.5
Crudos intermedios (20 a 30)
°API
7.5 – 10
Crudos pesados menores de 20
°API
>10
En caso de que esta información no este disponible, se
recomienda utilizar un tiempo de retención de 10
minutos para el agua.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Al igual que en los separadores bifásicos, las
consideraciones de capacidad para manejo de
gas y tiempo de residencia establecen ciertas
combinaciones aceptables de diámetro ylongitud.
La necesidad de decantar del aceite gotas de
agua de 500 micrones y permitir el ascenso degotas de aceite de 200 micrones establece un
diámetro máximo correspondiente al tiempo de
retención establecido para el liquido.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Al igual que para los separadores bifásicos
horizontales, la capacidad de manejo de gas
en un separador trifásico horizontal 50% lleno
de liquido se determina por la ecuación 8.Las combinaciones aceptables de diámetro y
longitud del separador para cumplir con las
consideraciones de tiempo de residencia se
puede determinar mediante la ecuación:
d2 Leff = 1.42 ((Qw) (tr )w + (Qo) (tr )o) (13)
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
La velocidad de descenso de las gotas de aguaa través del crudo se puede calcular mediante
la ley de Stokes.
Con esta velocidad y el tiempo de retención
especificado para la fase crudo puede
determinarse la distancia o altura que cae la
gota de agua en ese tiempo. Esta altura
establece un máximo espesor de la capa deaceite, dado por la ecuación:
ho = (14)0.00128 (tr ) o ( ΔSG) d2
m
μ
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Este es el máximo espesor que la capa de
aceite puede tener y todavía permitir que las
gotas de agua se decantan en el tiempo (tr )o.
para gotas de 500 micrones puede usarse lasiguiente ecuación:
(ho)max = (15)(tr )o( ΔSG)
μ320
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Para un tiempo de retención de crudo y agua,el limite del máximo espesor de la capa de
aceite establece un máximo diámetro de
acuerdo con el siguiente procedimiento:
1. Calcule (ho)max. Use una gota de 500
micrones si no hay otra información
disponible.
2. Calcule la fracción del área transversal del
separador ocupada por la fase agua. Esta es
dada por la relación:
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
= 0.5 (16)Qw(tr )w
(tr )oQo + (tr )wQw AwA
3. De la figura 6 determine el coeficiente β
4. Calcule dmax:
dmax = (ho)maxβ
Donde:
Cualquier combinación
de d y Leff que satisfaga
todas las tresecuaciones 8, 13, y 14
reunirán los criterios
necesarios.
(17)
β =
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Las gotas de aceite en fase acuosa asciendena una velocidad terminal definida por la ley de
Stokes.
Fig. 6 Coeficiente β para un cilindro 50% lleno con líquido
0.0
0.1
0.5
0.4
0.3
0.2
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0
d
Aw
Ao d
2
ho
hw
Aw
A
hod
β
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Al igual que las gotas de agua en aceite, lavelocidad y el tiempo de retención se usan
para determinar el máximo diámetro del
separador mediante la ecuación 13.
Es raro que el máximo diámetro determinado
para gotas de aceite 200 micrones que
ascienden a través de la fase acuosa sea
mayor que uno para gotas de agua de 500micrones que caen a través de la fase aceite.
Por lo tanto, el máximo diámetro se determina
a partir de la decantación del agua.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Para gotas de 200 micrones se puede usar laecuación:
(hw)max =
(51.2(tr )w
μw(18)
( ΔSG))
La longitud efectiva del separador puede
calcularse con la ecuación 13, tal como en los
separadores bifásicos. La longitud costura a
costura se determinara con ecuaciones 10 y
11.
La relación de esbeltez (Lss/d) es de 3 a 5.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Procedimiento para dimensionar separadorestrifásicos horizontales:
Calcule dmax con la ecuación 17
Calcule β de la curva de la figura 6
Calcule Aw/A con la ecuación 16
Calcule (ho)max (utilice la ecuación 15)
Seleccione un (tr )o y un (tr )w
Establecer bases de diseño
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS HORIZONTALES
Seleccione tamaño de recipiente estándar
Seleccione diámetro y longitud razonable, que larelación esbeltez este en un rango de 3 a 5
Estime la longitud de costura a costura con
ecuaciones 10 y 11
Con ecuación 13 calcule combinaciones de d, Leff
para d menor que dmax
Con ecuación 8 calcule combinaciones de d, Leff para
d menor que dmax. Use gotas de 100 micrones.
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
Al igual que un separador bifásico, el diámetro
mínimo de un separador trifásico vertical
puede estimarse mediante la ecuación 4.
El requerimiento para que las gotas de agua se
decanten del crudo requiere que se cumpla:
d2 = 6.690 QO
(19)( ΔSG) d2m
μ
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
Para gotas de 500 micrones, la ecuación
anterior llega a ser:
d2
= 0.0267
QO(20)
ΔSG
μ
La misma ecuación 19 se utiliza en los
cálculos para separar el crudo del agua. Para
gotas de 200 micrones, esa ecuación se
convierte en:
d2 = 0.167QO
ΔSG
μ
(21)
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
El tiempo de residencia de las dos fases
liquidas se satisface con la relación:
ho + hw = (tr ) (22)0.12 d2
o
Qo
+(tr
)w
Qw
ho = altura de la capa de crudo, in
hw = altura de la salida de agua a la interface, in.
Donde:
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
Como longitud efectiva se tomara el mayor
valor obtenido de las relaciones:
Lss = ho+ (23)12h
w
+76
Se recomienda utilizar una relación de esbeltez
no mayor de cuatro, preferible entre 1.5 y 3.
y…
(para diámetros36in)
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
Procedimiento para dimensionar separadorestrifásicos verticales:
Utilice la misma ecuación 19 para calcular diámetro
mínimo para que gotas de crudo asciendan a través de
la fase acuosa Utilice ecuación 21 para gotas 200
Utilice ecuación 19 para calcular el diámetro mínimo
para que gotas de agua caigan a través de fase aceite
Determinar mediante ecuación 4 diámetro mínimo
requerido para el separador
Establecer las bases de diseño
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DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES
TRIFASICOS VERTICALES
Si es posible, seleccione un separador de tamaño
estándar
Verifique que la relación de esbeltez este entre 1,5 y 3
Estime Lss mediante la ecuación 23 y 24. Seleccione
el mayor de estos valores
Determine ho + hw utilizando la ecuación 22
Seleccione el mayor de los tres diámetros calculados
como diámetros mínimos en pasos 2 a 4