SEPARACIÓN BIFÁSICA DE ACEITE Y GASOscar Aressu Ebratth Salgado

Los separadores se clasifican como bifásicos si separanel gas de la corriente de crudo y trifásicos si además se-paran el agua de la corriente de crudo. Los separadoresusualmente son llamados "gas scrubbers.o depuradores degas, cuando la razón de gas a liquido es muy alta. Algunosoperadores también llaman trampas a los separadores quemanejan el flujo directamente del pozo.

1. Factores que afectan la separación

Las características de la corriente afectaran en granmedida el diseño y la operación de un separador. Los si-guiente factores se deben determinar antes de diseñar unseparador.

• Tasas de flujo de liquido y gas (mínima, promedio ymáxima.

• Presiones y temperaturas de diseño y de operación.

• Tendencia la surgencia y la generación de baches delas corrientes de entrada.

• Propiedades físicas de los fluidos como la densidady la compresibilidad.

• Grado de separación diseñado.

• Presencia de impurezas (parafina, arena, escamas,etc.)

• Tendencia del crudo a formar espumas.

• Tendencias corrosivas de los líquidos o el gas.

2. Descripción del equipo

2.1. Separadores horizontales

Los separadores se diseñan en configuraciones horizon-tales, verticales o esféricas. La Figura 2.1 es un esquemade un separador horizontal.

Figura 2.1. Separador bifásico horizontal

La secuencia operativa de un separador bifásico se pue-de resumir en los siguientes puntos:

1. La corriente entra a la altura del desviador de en-trada (inlet diverter) y al chocar con este se generaun cambio en el momentum de manera que ocurrela primera separación de líquido y vapor.

2. La fuerza de gravedad causa que las gotas de líquidocaigan de la corriente de gas al fondo del separadordonde son recolectadas.

3. La sección de líquido provee el tiempo de retenciónrequerido para que el gas en solución salga del crudoy se eleve al espacio de vapor.

4. El líquido abandona el separador a través de la vál-vula de salida.

5. El gas fluye horizontalmente a través de la secciónde asentamiento sobre el nivel del líquido.

6. En la sección de asentamiento pequeñas gotas delíquido se separan por gravedad y caen sobre le in-terfase gas-líquido.

7. Una sección de coalescencia o separador de nieblaestá ubicado antes de la salida del gas para removerlas partículas de líquido con diámetros demasiadopequeños para separarse fácilmente por gravedad.

8. La presión del separador se mantiene controlando latasa de flujo a la cual el gas abandona el separador.

1

Facilidades de Superficie

2.2. Separadores verticales

La Figura 2.2 es un esquema de un separador ho-rizontal, el proceso que se lleva a cabo en un separadorvertical se puede resumir en los siguientes puntos:

Figura 2.2. Separador vertical

1. La corriente entra al separador por un costado deeste.

2. La corriente choca con el desviador de entrada y sepresenta la primera separación de líquido y gas porcausa del cambio en el momentum.

3. El líquido fluye hacia la parte baja del separador.

4. A medida que el líquido alcanza el equilibrio, bur-bujas de gas fluyen en dirección contraria al líquidoy eventualmente migran al espacio del vapor.

5. El gas fluye sobre el desviador de entra y luego subehacia la salida de gas.

6. En la sección de asentamiento gravitacional las gotasde líquido caen a la sección de líquido.

7. El gas pasa a través del extractor de niebla antes dedejar el separador.

8. La presión y el nivel se mantienen de la misma formaque en los separadores horizontales

2.3. Separadores esféricos

Los separadores esféricos contienen las mismas seccio-nes de los anteriores separadores y pesar de ser muy efi-cientes como contenedores de presión,la capacidad limita-da de líquido y las dificultades en su fabricación hace queno se usen muy a menudo.

2.4. Separadores centrífugos

Trabajan bajo el principio de que la separación de lasgotas de líquido se puede incrementar con la imposiciónde una fuerza radial o centrifuga. Los mayores beneficiosque ofrecen los separadores centrífugos son:

• No tienen partes móviles.

• Requieren poco mantenimiento.

• Diseño compacto.

• Bajo costo.

Aunque los diseños centrífugos pueden resultar en ta-maños significativamente mas pequeños, no se suelen usaren operaciones de producción debido a:

• Su diseño es mas sensible a la tasa de flujo.

• Requieren una mayor caída de presión.

2.5. Separadores de filtro

Pueden ser horizontales o verticales. Se diseñan pa-ra remover pequeñas partículas de liquido y solido de lacorriente de gas. Estas unidades se usan en aplicacionesdonde los separadores convencionales que hace uso de lafuerza centrifuga o gravitacional no resultan efectivos. Losseparadores de filtro funciona con elementos que favorecenla coalescencia de las partículas líquidas para formar gotasmas grandes.

Los separadores de filtro se usan a la entrada de com-presores en estaciones de compresión, como scrubbers an-tes de la entrada del glicol a torres de contacto y en apli-caciones del gas como combustible y/o instrumentación.

2.6. Scrubbers

Son separadores bifásicos que se diseñan para recu-perar líquidos desde las salidas de gas de separadores deproducción o para atrapar líquidos condensados debido ala refrigeración o caidas de presión.

Las aplicaciones típicas incluyen su posicionamientoantes de la entrada de la corriente a equipos mecánicoscomo compresores que podrían ser dañados, destruidos orestringidos por líquido libre; después de equipos que pue-dan generar condensados a partir de la corriente (comoenfriadores); antes de la entrada a equipos de deshidrata-ción que perderían eficiencia, serían dañados o destruidossi se contaminan con hidrocarburos líquidos; y antes de laentrada a salidas de venteo o quemaderos.

2

Facilidades de Superficie

3. Separadores verticales vs. horizontales

Ventajas separadores horizontales:

• Mas pequeños y baratos para una capacidad de gasdada.

• Facilita la asentamiento gravitacional.

• Como el área de la interfase es mayor es mas fá-cil que las partículas de gas alcancen el espacio devapor.

Desventajas separadores horizontales:

• El manejo de sólidos es más complicado.

• Requieren mayor espacio.

• Las surgencias pueden ocasionar mas problemasoperativos.

En general, los separadores horizontales son mas eco-nómicos para procesos de separación normales. Particu-larmente donde puede haber problemas con emulsiones,espuma o altas gor.

Los separadores verticales trabajan más eficientementeen bajas gor y su principal ventaja es el control positivodel nivel de fluido y sobretodo el espacio disponible parasu instalación.

4. Elementos internos de un separador

4.1. Inlet Diverter

Los desviadores de entrada (inlet diverter) sirven paracambiar la dirección del flujo de entrada y son el primerelemento de separación entre el líquido y el vapor. Los tresprincipales tipos de desviadores son:

• Placas tipo Baffle.

• Desviadores centrífugos.

• Desviadores tipo codo.

4.2. Extractores de niebla

Hay muchos tipos de equipos, conocidos como extrac-tores de niebla o eliminadores de niebla, diseñados pararemover gotas de líquido y partículas solidas de la corrien-te de gas. Antes de hacer una selección, se deben evaluarlos siguientes factores:

• Tamaño de las gotas que el separador debe remover.

• Caida de presión que puede ser tolerada en la ob-tención del nivel requerido de remoción.

• Susceptibilidad del separador a ser taponado por só-lidos.

• Capacidad e manejar líquidos del separador.

• Si el extractor de niebla puede ser instalado den-tro del equipo existente, o si requiere un contenedorautónomo.

• Disponibilidad de los materiales de construcción ne-cesarios para el equipo.

• Costo del extractor de niebla, de los contenedoresrequeridos, la tubería, instrumentación y utensilios.

4.2.1. Fuerzas gravitacionales y de arrastre queactúan sobre las partículas dentro de unseparador

Todos los extractores de niebla estan basados en al-guna clase de intervención en el balance natural entre lasfuerzas gravitacionales y ls fuerzas de arrastre. Lo anteriorse logra a través de una o mas de las siguientes formas:

• Superando la fuerza de arrastre a través de la reduc-ción de la velocidad del gas.

• Introduciendo fuerzas adicionales (scrubbers, ciclo-nes, precipitadores electrostáticos).

• Incrementando la fuerza gravitacional aumentandoel tamaño de la gota.

A medida que el gas dentro de un compartimiento semueve hacia arriba, hay dos fuerzas opuestas que actúansobre una partícula líquida: una fuerza gravitacional (ofuerza de boyancia negativa) actuando hacia abajo pa-ra acelerar la partícula, y una fuerza de arrastre opuestaactuando para ralentizar la caída de la partícula. Un in-cremento en la velocidad del gas incrementa la fuerza dearrastre sobre la partícula.

Cuando la fuerza de gravedad iguala la fuerza de arras-tre la aceleración de la partícula se hace cero y la partículase asentara a una velocidad constante llamada terminal ode asentamiento (settle velocity). Un incremento adicionalen la velocidad del gas resultará en una reducción inicialde la velocidad de asentamiento.

5. Teoría de diseño

5.1. Asentamiento

La fuerza de asentamiento sobre una partícula se puededeterminar con la ecuación

FD = CDAdρ

[V 2t

2g

]Eq. 5-1

Donde:

3

Facilidades de Superficie

FD = Fuerza de arrastre, lbf

CD = Coeficiente de arrastre.

Ad = Area de la sección transversal de la partícula, ft2.

ρ = Densidad de la fase continua, lb/ft3.

Vt = Velocidad de asentamiento de la partícula, ft/s.

g = Constante gravitacional.

Si el flujo alrededor de la partícula fuera laminar porley de stokes se puede calcular el coeficiente arrastre conla ecuación Eq. 5-2

CD =24

ReEq. 5-2

la velocidad de asentamiento en un gas se puede cal-cular con la ecuación Eq. 5-3.

Vt =5,56× 10−6(∆SG)d2m

µEq. 5-3

∆SG = Diferencia de gravedades especificas.

dm = Diámetro de la partícula, micrones.

µ = Viscosidad del gas, cp.

5.1.1. Cálculo del coeficiente de arrastre CD

Para calcular el coeficiente de arrastre se sigue el si-guiente procedimiento:

1. Se asume un valor inicial de CD generalmente 0,34.

2. Se calcula la velocidad terminal Vt con la ecuaciónEq. 5-4:

Vt = 0,0119

[(ρl − ρgρg

)dmCD

]1/2

Eq. 5-4

3. Se calcula el número de Reynolds de la ecuación Eq.5-5:

Re = 0,0049ρgdmVtµ

Eq. 5-5

4. Se calcula CD con la ecuación Eq. 5-6:

CD =24

Re+

3

Re1/2+ 0,34 Eq. 5-6

5. Se vuelve al paso 2 y se itera hasta encontrar con-vergencia.

5.2. Tamaño de la partícula

El propósito de la sección de asentamiento gravitacio-nal es asegurar que la corriente de gas este en condicionesde ser optimizada por los extractores de niebla sin queestos últimos se taponen. Para aplicar las ecuaciones deasentamiento al diseño de separadores, se debe seleccionarun tamaño de partícula.

A partir de la experiencia de campo, se asume que unapartícula de máximo 140 micrones no taponara los extrac-tores niebla y estos serán capaces de cumplir a cabalidadcon su función de retirar las partículas con tamaños entrelos 10 y los 140 micrones.

5.3. Tiempo de retención

Para asegurar que el líquido y el gas alcancen el equili-brio a la presión del separador, se requiere cierta cantidadde líquido. Esta cantidad se refiere como el tiempo de re-tención o tiempo promedio que una molécula de líquidosera retenida en el contenedor, asumiendo flujo tapón. Eltiempo de retención es por tanto el volumen de líquido al-macenado en el tanque dividido entre la tasa de flujo dellíquido.

Tabla 5.1. Tiempo de retención para separadores bifásicos (Kenarnold pg 204, 2nded)

Para la mayoría de aplicaciones se considera que untiempo de retención entre los 30s y los 3min es suficiente.Donde se presentan espumas de crudo, el tiempo de reten-ción se incrementa hasta 4 veces los tiempos mencionados.La Tabla 5.1 se puede utilizar para estimar el tiempo deretención cuando no hay datos de laboratorio.

5.4. Razón de esbeltez

La razón de esbeltez es el cociente entre la longitudy el radio del separador, si el diámetro del separador esmuy pequeño se incrementa la posibilidad de generar elreingreso de líquido en la fase gaseosa. La experiencia encampo recomienda una razón de esbeltez entre 3 y 4.

6. Diseño de separadores bifásicos horizontales

Para el diseño de un separador bifásico horizontal serecomiendan los siguientes procedimientos:

4

Facilidades de Superficie

6.1. Porcentaje de llenado = 50%

1. Calcular densidad del gas:

ρg =2,7γgP

ZT

2. Calcular la gravedad específica del aceite:

γo =141,5

API + 131,5

3. Calcular la densidad del aceite:

ρo = ρl = 62,4× γo

4. Calcular el bsw:

BSW =Qw

Qw +Qo

5. Calcular la densidad del líquido:

ρl = ρw ·BSW + ρo · (1−BSW )

6. Calcular el coeficiente de arrastre con el procedi-miento de la sección 5.1.1.

7. Calcular la capacidad para gas con la siguiente ecua-ción:

dLeff = 420

[TZQg

P

] [(ρg

ρl − ρg

)CD

dm

]1/2

Eq. 6-1

8. Calcular la capacidad para el líquido con la siguienteecuación:

d2Leff =trQl

0,7Eq. 6-2

9. Se selecciona la mayor capacidad.

10. Para cada valor de diámetro variando de 6 en 6 des-de 24 se calcula el Leff .

11. Para cada valor de Leff se calcula el Lss con lassiguientes ecuaciones:

Si se escogió la capacidad para el gas:

Lss = Leff +d

12

Si se escogió la capacidad para el líquido:

Lss =4

3Leff

12. Se calcula la razón de esbeltez para cada diámetrocon la ecuación:

SR =12Lss

d(3)

13. Se escoge el menor diámetro correspondiente a unarazón de esbeltez entre 3 y 4.

6.2. Porcentaje de llenado 6= 50%

1. Calcular densidad del gas:

ρg =2,7γgP

ZT

2. Calcular la gravedad específica del aceite:

γo =141,5

API + 131,5

3. Calcular la densidad del aceite:

ρo = 62,4× γo

4. Calcular el bsw:

BSW =Qw

Qw +Qo

5. Calcular la densidad del líquido:

ρl = ρw ·BSW + ρo · (1−BSW )

6. Calcular el coeficiente de arrastre con el procedi-miento de la sección 5.1.1.

7. El porcentaje de llenado expresado como fracción sedenomina β.

8. Con la Figura A–1 determinar la constante de di-seño Γ entrando con β.

9. Con la Figura A–2 determinar la constante de di-seño α entrando con β.

10. Calcular la capacidad para gas con la siguiente ecua-ción:

dLeff = Γ

[TZQg

P

] [(ρg

ρl − ρg

)CD

dm

]1/2

Eq. 6-4

11. Calcular la capacidad para el líquido con la siguienteecuación:

d2Leff =trQl

1,4αEq. 6-5

12. Se selecciona la mayor capacidad.

5

Facilidades de Superficie

13. Para cada valor de diámetro variando de 6 en 6 des-de 24 se calcula el Leff .

14. Para cada valor de Leff se calcula el Lss con lassiguientes ecuaciones:

Si se escogió la capacidad para el gas:

Lss = Leff +d

12

Si se escogió la capacidad para el líquido:

Lss =4

3Leff

15. Se calcula la razón de esbeltez para cada diámetrocon la ecuación:

SR =12Lss

d(6)

16. Se escoge el menor diámetro correspondiente a unarazón de esbeltez entre 3 y 4.

7. Diseño de separadores bifásicos verticales

El procedimiento recomendado para diseñar un sepa-rador bifásico vertical es el siguiente:

1. Calcular densidad del gas:

ρg =2,7γgP

ZT

2. Calcular la gravedad específica del aceite:

γo =141,5

API + 131,5

3. Calcular la densidad del aceite:

ρo = 62,4× γo

4. Calcular el bsw:

BSW =Qw

Qw +Qo

5. Calcular la densidad del líquido:

ρl = ρw �BSW + ρo � (1−BSW )

6. Calcular el coeficiente de arrastre con el procedi-miento de la sección 5.1.1.

7. Calcular el diámetro mínimo:

d2 = 5040

[TZQg

P

] [(ρg

ρl − ρg

)CD

dm

]1/2

Eq. 7-1

8. Calcular la capacidad al líquido:

d2h =trQl

0,12

9. Calcular la altura correspondiente a cada diámetrovariado de 6 en 6 a partir de 24in.

10. Calcular la longitud entre cordones para cada diá-metro:

Si d ≤ 36in:

Lss =h+ 76

12

Si d > 36in:

Lss =h+ d+ 40

12

11. Calcular la razón de esbeltez:

SR =12Lss

d

12. Escoger el menor diámetro que corresponda con unarazón de esbeltez entre 3 y 4.

8. Diseño de separadores trifásicos horizontales

8.1. Porcentaje de llenado = 50%

1. Determinar densidades y coeficiente de arrastre.

2. Determinar la capacidad del gas ??.

3. Calcular espesor máximo de la capa de crudo.

(ho)max = 1,28× 10−3 tro(∆SG)d2wµo

4. Calcular la fracción de A ocupada por agua:

Aw

A= 0,5

QwtwQotro +Qwtrw

5. Leer β de la Figura A–3.

6. Diámetro máximo del separador.

dmax =(ho)max

β

7. Calcular la capacidad al líquido:

d2Leff = 1,42(Qotro +Qwtrw)

6

Facilidades de Superficie

8. Calcular la longitud efectiva para cada diámetro yelegir la de mayor entre la de gas y la de líquido.

9. Calcular la longitud entre cordones para cada diá-metro:

Si d ≤ 36in:

Lss =h+ 76

12

Si d > 36in:

Lss =h+ d+ 40

12

10. Calcular la razón de esbeltez:

SR =12Lss

d

11. Escoger el menor diámetro que corresponda con unarazón de esbeltez entre 3 y 5.

9. Diseño de separadores trifásicos verticales

1. Calcular densidad del gas:

ρg =2,7γgP

ZT

2. Calcular la gravedad específica del aceite:

γo =141,5

API + 131,5

3. Calcular la densidad del aceite:

ρo = 62,4× γo

4. Calcular el bsw:

BSW =Qw

Qw +Qo

5. Calcular la densidad del líquido:

ρl = ρw �BSW + ρo � (1−BSW )

6. Calcular el coeficiente de arrastre con el procedi-miento de la sección 5.1.1.

7. Calcular el diámetro mínimo:

d2 = 5040

[TZQg

P

] [(ρg

ρl − ρg

)CD

dm

]1/2

Eq. 9-1

8. Calcular la capacidad al líquido:

d2 = 6690Qoµo

d2w(∆SG)

9. Calcular el diámetro mínimo del separador:

d2 =Qwµw

d2o(∆SG)

10. Escoger el mayor de los tres diámetros

11. Establecer la altura de la capa de líquido para cadadiámetro:

hliq =troQo + trwQw

0,12d2

12. Calcular Lss

d ≤ 36

Lss =ho + hw + 76

12

d > 36

Lss =ho + hw + d+ 40

12

13. Hallar la razón de esbeltez.

14. Seleccionar el menor diámetro que corresponda auna razón de esbeltez entre 1.5 y 3.

7

Facilidades de Superficie

AnexosOscar Aressu Ebratth Salgado

Tabla A–1. Tiempo de retención para separadores bifásicos (Ken arnold pg 204, 2nded.)

8

Facilidades de Superficie

Figura A–1. Constante de diseño Γ

9

Facilidades de Superficie

Figura A–2. Constante de diseño α

10

Facilidades de Superficie

Figura A–3. Constante de diseño beta

11