03 Separaci+¦n de dos fases - Edison Garc+¡a 2

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

BUCARAMANGA, MAYO DE 2014 BUCARAMANGA, MAYO DE 2014

FACILIDADES DE SUPERFICIE:

GENERALIDADES

EDISON ODILIO GARCÍA NAVAS

Inge

Ingenierniero de Petróo de Petróleos -leos - UISUIS

Magíster en

Magíster en Ingeniería Ingeniería de Hidrocarbude Hidrocarburos -ros -UISUIS

facilidadesdesuperficieuis@gmail.com

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SEP

ARACIÓN DE

DOS FASES. Introducción

El proceso de manejo se puede dividir en etapas generales, entre las que se El proceso de manejo se puede dividir en etapas generales, entre las que se encuen

encuentratran: n: etapetapa a de de recorecolecciólección, n, separseparación, ación, depurdepuración, ación, calencalentamientamiento,to, deshidratación, almacenamiento y bombeo.

deshidratación, almacenamiento y bombeo.

Es importante mencionar que en todas las Estaciones de Flujo ocurre el Es importante mencionar que en todas las Estaciones de Flujo ocurre el mismo proceso, por lo que podemos decir que estas etapas son empleadas en mismo proceso, por lo que podemos decir que estas etapas son empleadas en un

un grgran an nnúmúmerero o de de esesttacacioioneness; ; lulueego go de de papasasar r popor r esesttas as eettapapasas, , loloss distintos

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Una vez recolectado,

Una vez recolectado, el petróleo el petróleo crudo o mezcla de fases (líquida y gas) se crudo o mezcla de fases (líquida y gas) se somete a una separación líquido

somete a una separación líquido – –gas dentro del separador. La separacióngas dentro del separador. La separación oc

ocururre re a a didiststinintotos s niniveveles les dede presión presión yy temperatura temperatura estable establecidacidas s por por laslas condiciones del pozo de donde provenga el fluido de

condiciones del pozo de donde provenga el fluido de trabajo trabajo. Después de la. Después de la separación, el gas sale por la parte superior del recipiente y el líquido por la separación, el gas sale por la parte superior del recipiente y el líquido por la inferior para posteriormente pasar a las siguientes etapas. Es importante inferior para posteriormente pasar a las siguientes etapas. Es importante señalar que las presiones de trabajo son mantenidas por los instrumentos señalar que las presiones de trabajo son mantenidas por los instrumentos de

de control control del separador. del separador.

SEP

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El término "separador de petróleo y gas" en la terminología del argot petrolero es designado a un recipiente presurizado que es utilizado para separar los fluidos producidos de pozos de petróleo y gas en componentes líquidos y gaseosos. Un recipiente de separación puede ser llamado de las siguientes formas¹:

 Separador de petróleo y gas.

 Separador.

 Separador por etapas.

 Recipiente de retención, tambor de retención

 Cámara de separación flash, recipiente de separación flash,

 Separador por expansión o recipiente de expansión.

¹Smith Vernon H. (2001). Oil and Gas Separators. Petroleum Engineering Handbook. Chapter 12. Meriand Corp. Houston.

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SEPARADORES.

a. PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS DE HIDROCARBUROS

Los principios básicos, leyes físicas y accesorios utilizados para separar el gas del líquido son la gravedad, las fuerzas centrífugas, el efecto de deflectores y platos perforados o mallas.

Otro efecto aprovechado para separar el líquido del gas, es el efecto de mojamiento, el cual consiste en la propiedad que poseen las pequeñas gotas del líquido de adherirse a deflectores y platos por adhesión y capilaridad. También, las caídas de presión a través de pequeños orificios de coladores ocasiona que el líquido caiga.

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SEPARADORES.

a. PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS DE HIDROCARBUROS

Los separadores son construidos de tal forma que el fluido ingrese produciendo un movimiento rotacional, impartiendo al fluido un movimiento centrífugo que ocasiona que el líquido choque con las paredes del recipiente y caiga por gravedad. A medida que el líquido cae, choca con los deflectores y platos, produciéndose por agitación separaciones ulteriores. El gas sale por el tope y el líquido por el fondo. El nivel de líquido del separador es controlado por una válvula flotante y una válvula tipo “back pressure” a la salida del separador, controla la presión de salida del mismo.

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SEPARADOR BIFÁSICO

Fluido del pozo

Gas

Líquido

SEPARADOR TRIFÁSICO

Fluido del pozo

Gas

Agua Crudo

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SEPARACIÓN DE DOS FASES. Introducción

Se pueden realizar con un separador fijo o con facilidades móviles (well testing).

Los fluidos del pozo se alinean al separador, allí se dividen en las tres corrientes de interés (gas, crudo, agua), las cuales son medidas de forma independiente con medidores dinámicos.

La confiabilidad de los resultados depende de la calibración de los medidores.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN. Cálculos Flash

La cantidad de fluido de hidrocarburo que existe en la fase gaseosa o la fase líquida en cualquier punto en el proceso está determinado por un cálculo de flash. Para una presión y temperatura dadas, cada componente en la fase gaseosa dependerá no sólo de la presión y temperatura, también de la presión parcial del componente. Por lo tanto, la cantidad de gas depende de la composición total de los fluidos, como la fracción molar de cualquier componente en la fase gaseosa es la función de la fracción molar de todos los demás componentes en esta fase.

El valor K está en función de la temperatura y la presión y de la composición del vapor y fase líquida. Se define como:

KN= (VN / V) / (LN / L) Donde:

KN= constante de componente N a una temperatura y presión dadas, VN= moles de componente N en la fase de vapor,

V = moles totales en la fase de vapor ,

LN= moles de componente N en la fase líquida, L = Total de moles en la fase líquida.

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PROCESOS DE SEPARACIÓN. Cálculos Flash

El valor K es unos de los parámetros que mayor relevancia tiene en el momento de predecir el comportamiento de los fluidos dentro de un recipiente. En cierto modo, es el valor que se acerca o aleja las predicciones del funcionamiento real del sistema.

A pesar de que, al comienzo, el valor de K atendía a la deducción matemática de la fórmula, es la experiencia de campo y mejoras tecnológicas que se le introducen a los diseños lo que ha venido adaptando este parámetro al comportamiento real de los recipientes. En la práctica, lo que suelen hacer los fabricantes es diseñar el extractor de niebla y ajustar en el campo el valor correspondiente, para predecir los resultados reales. Por esa razón, se suelen encontrar unidades pequeñas garantizadas para manejar cantidades de gas mucho mayores de lo esperado. Al utilizar velocidades críticas más altas que las resultantes del uso directo de las fórmulas, los separadores serán de diámetros más pequeños.

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EQUILIBRIOS DE FASE. Definición

Cualquier parte homogénea y distinta de un sistema, que se encuentra separada de las otras partes por un límite definido.

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El fenómeno se debe a una reducción de presión por debajo de la presión de saturación (presión de burbuja), que lleva a la liberación de una fase gaseosa.

P > Pb P > Pb P = Pb P < Pb P = P _atm

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CLASIFICACIÓN DE LOS SEPARADORES

C l a s i f i c a c i ó n d e l o s S e p a r a d o r e s Construcción / Aspecto Físico Vertical Horizontal Simple Dos Cuerpos Esférico Tipo de Separación Bifásico Trifásico Dedicación / Ubicación Producción / General Prueba Separadores en Serie / Paralelo Torres de Destilación

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

Todos los separadores bifásicos tienen en común cuatro secciones:

•

Deflector de entrada:

Elemento que cambia abruptamente la dirección de flujo, causando la liberación del gas

(Disminuir el

Impulso)

.

Deflector Desviador

/ Plato esférico Deflector Tangencial _{(Fuerza centrifuga}Ciclón de Entrada_– Chimenea Ciclónica)

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SECCIONES DE

UN S

EP

ARADOR

BIF

ÁSICO

Todos los separadores bifásicos tienen en común cuatro secciones: Todos los separadores bifásicos tienen en común cuatro secciones:

•

• Deflector Deflector de de entradaentrada

•

S

e

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sepaparradador or prpropopororcicionona a el el titiemempo po nenececesasaririo o paparra a quque e el el ggasas atrapado se libere hacia la parte superior.

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SECCIONES DE

UN S

EP

ARADOR

BIF

ÁSICO

•

• Sección Sección de de asentamientasentamiento o de de líquidolíquido

•

S

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E En n eesstta a rreeggiióón n ssee presenta una reducción de la velocidad de flujo de la corriente presenta una reducción de la velocidad de flujo de la corriente gaseosa, lo que permite que las gotas de líquido suspendidas gaseosa, lo que permite que las gotas de líquido suspendidas caigan por gravedad.

caigan por gravedad.

Se diseña de tal manera que las gotas mayores que 100 ó 140 Se diseña de tal manera que las gotas mayores que 100 ó 140 micras sean removidas.

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SECCIONES DE

UN S

EP

ARADOR

BIF

ÁSICO

•

• Sección Sección de de asentamientasentamiento o de de líquidolíquido

•

• Sección Sección de de asentamientasentamiento o gravitgravitacionalacional

•

Ex

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de

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:

Este dispositivo genera numerosos cambios Este dispositivo genera numerosos cambios de dirección en el flujo del gas, haciendo que las pequeñas gotas de dirección en el flujo del gas, haciendo que las pequeñas gotas de

de lílíququiido do ((memenonorres es quque e 10100 0 mimiccrraas) s) sesean an ccapaptuturradadas as poporr elementos coalescedores y

elementos coalescedores y caigan por gracaigan por gravedad.vedad.

2 Clases: Extractor Tipo Veleta y Cojines de Malla de

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

• Deflector de entrada

• Sección de asentamiento de líquido

• Sección de asentamiento gravitacional

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

• Extractor de niebla

•

Rompedores de vórtices:

OBJETIVO: Disminuir Vórtices (Remolinos), cuando la válvula está abierta debido a que esto absorbe el gas del vapor y lo remezcla en la salida del líquido.

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

• Rompedores de vórtices

•

Drenajes de sólidos:

Separadores Horizontales:

Problema por depósitos de arena en fondo. Para eliminar los solidos se instalan unos drenajes que se operan de manera controlada inyectando fluido a alta presión (agua de producción)

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TIPOS DE SEPARADORES

Existen diversos tipos de separadores, que cumplen determinadas funciones: • Separadores Horizontales • Separadores Verticales • Separadores Esféricos • Separadores Centrífugos • Botas de Gas • Separadores Vénturi

• Separadores de doble barril

• Scrubbers

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HORIZONTAL vs VERTICAL

En términos generales, es más recomendable el uso de separadores horizontales, pues estos ofrecen una mayor área para las interfases (G/O y O/W), con lo que se consigue un mejor equilibrio de fases y una separación más rápida.

En algunos casos es recomendable el uso de separadores verticales:

• Los separadores horizontales no son buenos en el manejo de sólidos. En un separador vertical puede instalarse un drenaje en la parte inferior, cosa que no es posible en uno horizontal.

• Los separadores horizontales ocupan más espacio. Sin embargo, al usar varios separadores, éstos pueden ubicarse uno sobre otro.

• Los separadores verticales son más versátiles para el manejo de tasas de producción variables.

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SEPARADORES ESFÉRICOS

Los separadores esféricos son relativamente baratos y su uso está limitado a aplicaciones especiales. Son compactos y fácilmente pueden ser montados sobre “skid” para utilizarlos como separadores portátiles para pozos de baja producción. Su forma es excelente para condiciones de alta presión y bajos volúmenes. Estos separadores están disponibles en diámetros desde 24 hasta 60 pulgadas y presiones de trabajo hasta 6000 psi. Los fluidos entran al recipiente, golpeando a un deflector esférico lo cual obliga a caer a los líquidos al fondo del envase. El gas sube y a través de un elemento depurador (“scrubber ”), se separan las últimas gotas líquidas.

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas _{El diseño de una bota desgasificadora es más simple}

que el de un separador, al igual que sus componentes internos, siendo estos:

Deflector: El deflector de una bota desgasificadora, tiene la forma de un sombrero chino, con un ángulo de 45°, y se encuentra a la salida del tubo interno concéntrico por donde asciende el fluido multifásico. El deflector cambia la dirección de flujo, ocasionando la liberación de gas que ha sido arrastrado o se encuentra en solución en la corriente de líquido en la salida del separador.

Bafles Perforados: La bota de gas tiene arriba del deflector una serie de placas o bafles con un ángulo de inclinación de 45°. El gas atraviesa los bafles perforados, reteniéndose los líquidos arrastrados en la corriente de gas.

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas

•

Separadores de doble barril

Los separadores de dos barriles aíslan los líquidos recolectados en el barril inferior para prevenir que el gas se vuelva a arrastrar durante las oleadas. Hoy no se ve esta configuración con frecuencia porque su construcción es cara y las ventajas son más teoréticas que prácticas.

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas

• Separador horizontal con bota

•

Separadores tipo filtro

_{Los separadores de filtro}_{Comúnmente son}

utilizados en las entradas de compresores en estaciones de compresión en el campo, como Depuradoras finales corriente arriba de las torres de contacto de glicol y en aplicaciones de instrumento / gas de campo. Los separadores de filtro pueden remover todas las partículas mayores a 2 micras y el 99% de aquellas hasta un mínimo de 0,5 micras. Estas unidades, también disponibles en configuraciones verticales, son utilizadas en ingresos de compresores y en otras aplicaciones de GOR alto.

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas

• Separadores tipo filtro

• Slug Catchers

El Receptor de Slug es un equipo estático utilizado en las instalaciones de producción de petróleo para reducir al mínimo el slug de oleoductos y gasoductos. Los fluidos extraídos de los yacimientos de petróleo y gas contienen petróleo crudo, gas natural, agua, sales, etc. El flujo multifásico en una tubería a menudo conduce flujo de lodo de la formación. Este flujo de múltiples fases se recibe en en las instalaciones de procesamiento y de almacenamiento de petróleo crudo en el que el aceite, agua y gases son separados para eliminar el slug, de ahí el nombre.

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SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO

• Rompedores de vórtices

•

Drenajes de sólidos:

Este accesorio es indispensable en fluidos con alto contenido de sólidos, ya que permite extraer los sólidos asentados. Su funcionamiento se basa en la inyección de fluido a través de una tobera. Este dispositivo se coloca donde se acumula la arena, funcionando con fluido a presión mediante toberas de inyección, que hagan posible la remoción de la arena.

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OTRAS CONFIGURACIONES

• Botas de gas

• Separadores tipo filtro

• Slug Catchers

• Scrubber

Sistema de tratamiento primario de gases el cual busca remover:

- Partículas sólidas - Gotas de líquidos

- Gases ácidos (CO2, NOx, SOx) Sus principales aplicaciones son: - Tratamiento de gases de refinería - Tratamiento de gas de pozo

- Lavado de gases y emisiones gaseosas - Desulfuración de combustibles

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VARIABLES DE CONTROL

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VARIABLES DE CONTROL

Tiempo de Retención:

1. Si existe espuma, aumentar por encima de los tiempos de retención por un factor de 2 a 4.

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(56)

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DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.)

1. Determinar el coeficiente de arrastre C_D por medio de un proceso iterativo (Suponer un C_D=0,34). 2 1 1 01190,









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  0049 , 0 Re  34 , 0 Re 3 Re 24 5 , 0    D C

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1. Determinar el coeficiente de arrastre C_D por medio de un proceso iterativo.

2. Calcular la capacidad al gas.

2 1 420

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m D g l g g eff

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  

(59)

2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido.

7 ,

0

2 _r _l eff

Q

t

L

d



(60)

4. Establecer relaciones entre el diámetro del separador (d) y la longitud efectiva (L_eff) para las capacidades al gas y al líquido.

d (in) Gas L_eff(ft) Líquido L_eff(ft) 16

20 24 30

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.)

Diámetros Comerciales Separador (in): 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24, 30, 36, 42, 48, 60, 72.

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5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss) para cada diámetro. Para L_eff > 7,5ft: Para L_eff < 7,5ft: 12

d

L

_SS  _eff 

5 ,

2

  _eff SS

L

(62)

5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss) para cada diámetro.

6. Determinar la relación de esbeltez para cada diámetro.

d L SR _ 12 SS

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5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss) para cada diámetro.

6. Determinar la relación de esbeltez para cada diámetro.

7. Seleccionar la opción que contenga una relación de esbeltez entre 3 y 4. En caso de que dos o más opciones se encuentren en ese rango, se puede tomar la decisión de usar la de diámetro menor, pues implica un costo más bajo.

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DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.)

Diámetro

Comercial Leff gas (ft) Leff liq (ft) Lss (ft)

SR (Relación de Esbeltez) 2 3 4 6 8 10 12 16 20 30 36 42

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Ejercicio:

Diseñar un separador horizontal bifásico con los siguientes datos. Producción de gas: 10MMscfd

Densidad del gas: 1.44 lb/ft3 Producción de crudo: 2000BOPD

Gravedad API: 40°

Presión de operación: 1000psia Temperatura de operación: 60°F

Tamaño de la partícula a retirar: 140m

Tiempo de retención: 3 minutos

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DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales)

1. Determinar el coeficiente de arrastre C_D por medio de un proceso iterativo (Suponer un C_D=0,34). 2 1 1 01190,















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



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



D m g g l

C

d

V

   g m g

d

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  0049 , 0 Re  34 , 0 Re 3 Re 24 5 , 0    D C

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2. Calcular la capacidad al gas. De aquí se obtiene el mínimo diámetro requerido. Cualquier diámetro superior a éste puede ser utilizado. 2 1 2 5040





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m D g l g g

d

C

P

TZQ

d

  

(68)

3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo (Tener cuidado, porque en esta ecuación se obtiene h en pulgadas).

12 ,

0

2

t

_r

Q

_l

h

d



(69)

3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo.

4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss). Para d ≤ 36in :

Para d > 36in :

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales)

12 76   h L SS 12 40    d h L SS

(70)

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales)

4. Calcular la Longitud entre Cordones de Soldadura (L_ss): Para d ≤ 36in : Para d > 36in : 12 76   h L SS 12 40    d h L SS

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4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss). 5. Calcular la relación de esbeltez.

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales)

d L SR _ 12 SS

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4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (L_ss). 5. Calcular la relación de esbeltez.

6. Seleccionar la opción que presente una relación de esbeltez entre 3 y 4.

(73)

Ejemplo:

Diseñar un separador vertical bifásico con los siguientes datos. Producción de gas: 10MMscfd

Gravedad específica del gas: 0,6

Producción de crudo: 2000BOPD

Gravedad API: 40°

Presión de operación: 1000psia Temperatura de operación: 60°F

Tamaño de la partícula a retirar: 140m

Tiempo de retención: 3 minutos

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DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS

ρ

gas

=

2.70 ∗ ∗

 ∗

T:

°Rankine

(75)