Equipos Utilizados en La Deshidratación de Crudos (1)

Deshidratacin de crudo Cuaderno FIRP 853 25

4. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA DESHIDRATACIN DE CRUDOS

Una vez que el crudo es producido a nivel de fondo de pozo, la produccin proveniente de los diferentes pozos se lleva a un mltiple de produccin, compuesto a su vez por tres submtiples de acuerdo a la presin de lnea en baja, alta y de prueba, figura 16. Est constituido por tuberas de 6 pulgadas de dimetro a travs de las cuales circula la mezcla gas-crudo-agua que pasar posteriormente a los separadores gas-lquido donde se elimina el gas disuelto.

Luego, la emulsin pasa a un separador gravitacional para eliminar el agua libre y el crudo no emulsionado. La emulsin restante se lleva al sistema de tratamiento seleccionado para la aplicacin de calor y/o corriente elctrica, y finalmente el crudo separado pasa a un tanque de almacenamiento. El punto de inyeccin de qumica es a la salida del mltiple de produccin, antes de los separadores, como se muestra en la figura 17.

Figura 17. Representacin esquemtica de una estacin de flujo para deshidratar crudo.

Figura 16. Mltiple de produccin de una estacin de flujo.

Mltiple de produccin

desemulsionante

Separador gas-lquido

calentador

Tanque de lavado

Tanque de almacenamiento


4.1 Separadores gas-lquido Los separadores horizontales o verticales sirven para separar el gas asociado al crudo que proviene desde los pozos de produccin. El procedimiento consiste en que la mezcla de fluidos entrante choca con las placas de impacto o bafles desviadores a fin de promover la separacin gas-lquido mediante la reduccin de velocidad y diferencia de densidad. El nmero de separadores vara en funcin del volumen de produccin de gas y petrleo en las estaciones. Se identifican cuatro secciones de separacin:

a) Separacin primaria: Comprende la entrada de la mezcla crudo-agua-gas. b) Separacin secundaria: Est representada por la etapa de separacin mxima de lquido por efecto de gravedad. c) Extraccin de neblina: Consiste en la separacin de las gotas de lquido que an contiene el gas. d) Acumulacin de lquido: Est constituida por la parte inferior del separador que acta como colector, posee control de nivel mediante un flotador para manejar volmenes de lquidos obtenidos durante la operacin.

Los separadores verticales operan con mayor eficiencia a una baja relacin gas-petrleo menor de 500 pie3/barril, mientras que los separadores horizontales poseen mayor rea superficial y tienen controladores de espumas. En la figura 18 se muestran un tren de tres separadores verticales.

4.2 Separadores gravitacionales El asentamiento gravitacional se lleva a cabo en grandes recipientes llamados tanques, sedimentadores, tanques de lavado, gun barrels y eliminadores de agua libre (EAL Free Water Knockout FWK). Los eliminadores de agua libre (EAL) son utilizados solamente para remover grandes cantidades de agua que es producida en la corriente, pero que no est emulsionada y se asienta fcilmente en menos de 5-20 minutos, figura 19. El crudo de salida de un EAL todava contiene desde 1 hasta 30 % de agua emulsionada.

Figura 18. Tren de separacin (separadores de alta presin, de baja y de prueba).


En el interior de estos recipientes que son de simple construccin y operacin, se encuentran bafles para direccionar el flujo y platos de coalescencia. El agua es removida por la fuerza de gravedad y esta remocin provoca ahorros en el uso de combustible de los calentadores. Un calentador requiere de 350 Btu para calentar un barril de agua en 1F, pero solamente requiere 150 Btu para calentar 1 barril de crudo en 1F. El calentamiento de agua, aparte de que es un desperdicio de energa provoca problemas de incrustacin y requiere del uso adicional de tratamiento qumico muy costoso para prevenir la incrustacin.

Los eliminadores de agua libre (EAL), no son lo mejor ya que ellos solo remueven el agua libre. Estn protegidos por nodos de sacrificio y por aditivos para prevenir la corrosin por el efecto del agua de sal.

Figura 19. Separador vertical FKW.

Otro sistema que es importante mencionar son los tanques de lavado o comnmente llamados Gun Barrels. Estos recipientes usualmente operan con media parte de agua (colchn de agua) y la otra parte lo cubre el petrleo. Su funcionamiento consiste en que la emulsin entra al rea de desgasificacin, donde se produce la liberacin del gas remanente a travs del sistema de venteo.

Seguidamente, la fase lquida desciende por el tubo desgasificador y entra a la zona del agua de lavado a travs de un distribuidor, que se encarga de esparcir la emulsin lo ms finamente posible a fin de aumentar el rea de contacto entre el agua de lavado y la emulsin, favoreciendo as la coalescencia de las partculas de agua. La emulsin fluye a travs del agua en el interior del tanque de lavado siguiendo la trayectoria forzada por bafles internos que permiten incrementar el tiempo de residencia. El petrleo por ser ms liviano que la emulsin asciende pasando a formar parte de la zona correspondiente al petrleo deshidratado.

Gas Equalizer

Salida de GasEntrada de Emulsin

Gas

Crudo

Agua

Salida de crudo

Distribuidor

Salida de agua

Tubera conductora

Emulsin

Gas Equalizer

Salida de GasEntrada de Emulsin

Gas

Crudo

Agua

Salida de crudo

Distribuidor

Salida de agua

Tubera conductora

Emulsin


Este proceso de deshidratacin se ve afectado por altas velocidades de flujo, exceso de gas, descensos en la temperatura del fluido y recuperacin de emulsiones envejecidas; por lo tanto, la eficiencia del mismo depende del control total de estas variables. Tienen un tiempo de residencia entre 3 a 36 horas. Entre los equipos ms utilizados por la industria petrolera se mencionan los tanques de lavado de tipo helicoidal, los de tipo rasurado, concntrico o araa.

4.3 Calentadores Los tratadores-calentadores pueden ser de tipo directo e indirecto en funcin de la forma en que se aplica el calor. En los calentadores de tipo directo el calor es transferido por contacto directo de la corriente alimentada con la superficie interna del calentador. Aunque este tipo presenta problemas de sedimentos y de corrosin pueden manejar mayores volmenes de fluidos con menor gasto de combustible que los calentadores indirectos. Operan eficientemente en procesos de baja presin y donde los fluidos manejados no son muy corrosivos. Los ms utilizados son los calentadores de fuego directo con cajas de fuego de tipo vertical, como se muestra en la figura 20.

Figura 20. Componentes bsicos de un calentador de crudo a fuego directo: (1) Cuerpo del calentador, (2) Caja de fuego, (3) Vlvula de venteo, (4) Termo-vlvula, (5) Elemento sensor de temperatura; (6) Piloto, (7) Quemador, (8) Vlvula de seguridad, (9) Disco de ruptura o resistencia, (10) Depurador de gas, (11) Chimenea.

El diseo normal de un calentador tipo vertical cumple las siguientes funciones:

1)Desgasificado de la emulsin de entrada; 2) Remocin de arenas, sedimentos y agua libre previo al calentamiento; 3) Lavado con agua y calentamiento de la emulsin; 4) Coalescencia y asentamiento de las gotas de agua.


El crudo deshidratado caliente puede ser usado para precalentar la emulsin de entrada usando un intercambiador de calor. Los calentadores no son recomendables para remover grandes cantidades de agua libre, debe usarse un separador EAL o FKW.

Las mismas funciones bsicas son previstas en un calentador directo tipo horizontal. La alimentacin es parcialmente desgasificada, luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo para la separacin del agua libre y la arena. Despus, la alimentacin es calentada y sufre una ltima desgasificacin. Posteriormente, a travs de un distribuidor pasa a un bao de agua para finalmente pasar a la seccin de coalescencia

Las partculas slidas, tales como arena, escama, productos de corrosin se depositarn en la parte inferior de estos equipos. Si estos sedimentos no son removidos puede causar los siguientes problemas: 1) Acumularse y ocupar un volumen importante en el recipiente y eventualmente bloquear la corriente de alimentacin; 2) Bloquear la transferencia de calor, ocasionando finalmente el colapso del equipo de calentamiento; 3) Interferir en los controles de nivel, nodos, vlvulas, medidores y bombas; 4) Asimismo pueden incrementar el crecimiento bacteriano y la velocidad de corrosin.

Para prevenir la deposicin de estos sedimentos se pueden instalar hidrojets que operando a 30 psia por arriba de la presin de operacin del calentador, removiendo los sedimentos para su posterior drenado por la parte inferior del recipiente. Otra alternativa es usar inhibidores de corrosin.

En los calentadores de tipo indirecto el proceso de transferencia de calor se efecta mediante un bao de agua caliente, en el cual se encuentra sumergida la tubera que transporta la emulsin. Este tipo de calentadores disminuye el riesgo de explosin y son utilizados en instalaciones donde es posible recuperar calor, tales como el gas caliente de salida de las turbinas.

En general el calentamiento ya sea de tipo directo o indirecto tiene las siguientes ventajas:

1. Reduce la viscosidad de la fase continua: un incremento en la temperatura de 10 F baja la viscosidad de la emulsin por un factor de 2. 2. Incrementa el movimiento browniano y la colisin de las gotas de agua para su coalescencia. 3. Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y el crudo. 4. Promueve una mejor distribucin del desemulsionante. 5. Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad a las emulsiones. 6. Debilita la pelcula de emulsionante que rodea a las gotas de agua.

Sin embargo el calentamiento presenta las siguientes desventajas:

1. Provoca la migracin de los compuestos ms voltiles del crudo hacia la fase gas. Esta prdida de livianos ocasiona una disminucin de volumen del crudo calentado y una disminucin en su gravedad API. 2. Incrementa los costos de combustible. 3. Incrementa los riesgos en las instalaciones. 4. Requieren mayor instrumentacin y control. 5. Causa depsitos de coke.


4.4 Coalescedores electroestticos Los procesos de deshidratacin electrosttica consisten en someter la emulsin a un campo elctrico intenso, generado por la aplicacin de un alto voltaje entre dos electrodos. Este dispositivo, generalmente tiene caractersticas similares a los de los equipos de separacin mecnica presurizados, aadiendo a stos el sistema de electrodos y de generacin de alto voltaje. 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.

Un deshidratador electrosttico est dividido en 3 secciones, figura 21. La primera seccin ocupa aproximadamente el 50% de su longitud y es llamada Seccin de calentamiento. La segunda seccin es llamada Seccin central o control de nivel y esta ocupa por alrededor del 10% de su longitud ubicada adyacente a la seccin de calentamiento. La tercera seccin ocupa el 40% de la longitud del deshidratador y es denominada Seccin de asentamiento del agua suspendida para producir crudo limpio. Las parrillas de electrodos de alto voltaje estn localizadas en la parte superior del recipiente, arriba de la interfase agua-aceite.

Figura 21. Deshidratador electrosttico.

Entre las ventajas que posee los deshidratadores electrostticos en comparacin con los sistemas de tanques de lavado es que son menos afectados en su operacin por las caractersticas de los crudos (densidad, viscosidad), agua o agentes emulsionantes, ofrecen mayor flexibilidad, el tiempo de residencia asociado es relativamente corto y por otra parte, son de menor dimensin. Adems, con el tratamiento electrosttico se obtiene una mejor calidad del agua separada y una mayor flexibilidad en cuanto a las fluctuaciones o variaciones en los volmenes de produccin (Guzmn et al., 1996).

Entre las desventajas que presentan los equipos de deshidratacin electrosttica estn:

Seccin de CoalescenciaSeccin de CalentamientoEntrada de Emulsin

Gas EqualizerLoop Salida de GasAlivio Salida de Crudo

Gas

Crudo

Low LevelShutdown

Tubo de fuego

Hoodbaffle Agua

Salida de agua libre

16 interfacecontrol manway

Drain

Crudo

Rejilla de electrodos de alto voltaje

Conexiones de la muestra

Control del nivel de interfaceAgua

Drain Salida del agua tratada

Seccin de CoalescenciaSeccin de CalentamientoEntrada de Emulsin

Gas EqualizerLoop Salida de GasAlivio Salida de Crudo

Gas

Crudo

Low LevelShutdown

Tubo de fuego

Hoodbaffle Agua

Salida de agua libre

16 interfacecontrol manway

Drain

Crudo

Rejilla de electrodos de alto voltaje

Conexiones de la muestra

Control del nivel de interfaceAgua

Drain Salida del agua tratada


i. Requerimiento de supervisin constante en su operacin. ii. Instalacin de sistemas de control ms sofisticados, lo que incide tanto en los costos de

operacin como de inversin. iii. Instalacin de sistemas de carga para un mayor control de flujo al equipo, ya que

necesitan para su operacin condiciones de flujo estables y controladas. iv. Los dispositivos del equipo podran ser afectados por los cambios en las propiedades

conductoras de los fluidos de alimentacin, cuando se incrementa el agua, la salinidad y la presencia de slidos.

v. El nivel de agua libre es controlado por dos medidores de nivel en paralelo y con diferentes principios de operacin. Esta es la variable ms difcil de manejar, ya que un valor alto podra hacer que el agua tenga contacto con las parrillas energizadas y halla un corto circuito en el equipo y sus correspondientes daos al sistema elctrico.

Estos equipos se utilizan cuando la velocidad de asentamiento por gravedad es muy lenta, dada por la Ley de Stokes. Por ejemplo una gota de agua de 20 micras de dimetro en un crudo de 33 API a 100 F y una viscosidad de 6,5 cp se asienta a una velocidad de 0,07 ft/hr. Como la molcula de agua es polar, el campo elctrico incrementa la coalescencia de las gotas dispersas en el aceite por dos mecanismos que actan simultneamente:

1. Sometidas a un campo electrosttico, las gotas de agua adquieren una carga elctrica neta.

2. La distribucin al azar de las gotas de agua en el seno del aceite al pasar por el campo electrosttico se alinean con su carga positiva orientada al electrodo cargado (negativo).

Estas fuerzas de atraccin electrosttica pueden ser mucho ms grandes que la fuerza de gravedad presente. La relacin de fuerza electrosttica con la fuerza de gravedad es de aproximadamente de 1.000 para gotas de agua de 4 micras de dimetro en crudo de 20 API expuesto a un gradiente elctrico tpico de 5 kiloVoltios/pulgada.

Los tratadores electrostticos son usados generalmente cuando existen las siguientes circunstancias:

Cuando el gas combustible para calentar la emulsin no est disponible o es muy costoso. Cuando la prdida de gravedad API es econmicamente importante. Cuando grandes volmenes de crudo deben ser tratados en una planta a travs de un nmero mnimo de recipientes.

Las ventajas del tratamiento electrostticos son:

La emulsin puede ser rota a temperaturas muy por abajo que la que requieren los tratadores-calentadores. Debido a que sus recipientes son mucho ms pequeos que los calentadores, eliminadores de agua libre y gun-barrels, son ideales para plataformas petroleras marinas. Pueden remover mayor cantidad de agua que otros tratadores. Las bajas temperaturas de tratamiento provocan menores problemas de corrosin e incrustacin.


5. DESALACIN DEL PETRLEO

El proceso de desalacin consiste en la remocin de las pequeas cantidades de sales inorgnicas, que generalmente quedan disueltas en el agua remanente, mediante la adicin de una corriente de agua fresca (con bajo contenido de sales) a la corriente de crudo deshidratado. Posteriormente, se efecta la separacin de las fases agua y crudo, hasta alcanzar las especificaciones requeridas de contenido de agua y sales en el crudo.

Las sales minerales estn presentes en el crudo en diversas formas: como cristales solubilizados en el agua emulsionada, productos de corrosin o incrustacin insolubles en agua y compuestos organometlicos como las porfirinas.

Despus de la deshidratacin o del rompimiento de la emulsin, el petrleo crudo todava contiene un pequeo porcentaje de agua remanente. Los tratamientos tpicos anteriormente mencionados (adicin de desemulsionante, calentamiento, sedimentacin y tratamiento electrosttico) pueden reducir el porcentaje de agua del crudo a rangos de 0,2-1 % volumen.

La salinidad de la fase acuosa vara desde 100 ppm hasta la saturacin, que es de 300.000 ppm (30 % peso); sin embargo lo usual es encontrar salmueras en el rango de 20.000-150.000 ppm (2 a 15 % peso). Por comparacin, el agua de mar contiene de 30.000-43.000 ppm (3 a 4,3 % peso) de sales disueltas. El contenido de sal en el crudo normalmente es medido en libras de cloruro, expresado como cloruro de sodio equivalente por 1.000 barriles de crudo limpio (Libras por Mil Barriles, LMB o en ingls Pounds per Thousand Barrels, PTB).

Cuando el crudo es procesado en las refineras, la sal puede causar numerosos problemas operativos, tales como disminucin de flujo, taponamiento, reduccin de la transferencia de calor en los intercambiadores, taponamiento de los platos de las fraccionadoras. La salmuera es tambin muy corrosiva y representa una fuente de compuestos metlicos que puede envenenar los costosos catalizadores. Por lo tanto, las refineras usualmente desalan el crudo de entrada entre 15 y 20 PTB para el caso de refineras sencillas, en aquellas de conversin profunda las especificaciones pueden ser ms exigentes, alcanzando valores de 1 PTB (Layrisse et al., 1984).

El desalado en campo reduce la corrosin corriente aguas abajo (bombeo, ductos, tanques de almacenamiento). Adicionalmente la salmuera producida puede ser adecuadamente tratada para que no cause los daos mencionados en los equipos y sea inyectada al yacimiento, resolviendo un problema ambiental. En ausencia de cristales de sal slidos, el contenido de sal en el crudo deshidratado est directamente relacionado con el porcentaje de agua y con la concentracin de salinidad de la fase acuosa (en ppm de NaCl).

El desalado se realiza despus del proceso de rompimiento de la emulsin en deshidratadores electrostticos y consiste de los siguientes pasos:

a) Adicin de agua de dilucin al crudo.

b) Mezclado del agua de dilucin con el crudo.

c) Deshidratacin (tratamiento de la emulsin) para separar el crudo y la salmuera diluida.


Como se muestra en la figura 22 el equipo convencional para el desalado incluye:

- Un equipo convencional de deshidratacin (eliminador de agua libre, calentador o unidad electrosttica).

- Una tee para inyectar el agua de dilucin.

- Un mecanismo que mezcle adecuadamente el agua de dilucin con el agua y las sales del crudo.

- Un segundo tratador (tipo electrosttico o tratador-calentador) para separar nuevamente el crudo y la salmuera.

En base al desalado en una etapa, el requerimiento del agua de dilucin es usualmente de 5 a 7 % con respecto a la corriente de crudo. Sin embargo, si el agua de dilucin es escasa, el desalado en dos etapas reduce el requerimiento del agua de dilucin a 1-2 % con respecto a la corriente del crudo.

Figura 22. Sistema convencional de deshidratacin y desalado de crudo.

5.1 Consideraciones de diseo La cantidad de agua requerida en el proceso es una funcin de la:

- Salinidad del agua emulsionada y del agua fresca. - Cantidad de agua emulsionada. - Eficiencia de mezclado. - Nivel de deshidratacin. - Especificacin del contenido de sal en el crudo requerida o PTB.

- Nivel de deshidratacin: Esta es la variable ms importante para reducir el requerimiento de agua de dilucin. La dilucin de la salmuera de entrada para alcanzar la especificacin de salinidad requerida es

Deshidratador

Desalador

Drenaje de agua

Alimentacin de crudo

Agua de dilucin

mezclador

desemulsionante

Crudo limpio

Drenajede agua


inversamente proporcional al nivel de deshidratacin alcanzado. Adicionalmente es importante reducir el porcentaje de agua del crudo deshidratado para mantener baja su salinidad. Esto explica el uso frecuente de los tratadores electrostticos para reducir el porcentaje de agua remanente en el crudo a valores de 0,1-0,15 % volumen, ya que sin el campo electrosttico el agua remanente en el crudo vara entre 0,2-1 % volumen. En muchos casos es muy difcil alcanzar valores de 0,5 % de agua sin el uso de los tratadores electrostticos.

- Eficiencia de mezclado. Despus de la deshidratacin el agua remanente en el crudo existe como pequeas gotas de agua dispersas de modo uniforme en el seno del crudo. Un completo mezclado de todas esas gotas no es posible. Por lo tanto, es una prctica estndar asumir que una fraccin I del agua de dilucin se mezcla completamente con las pequeas gotas del agua remanente en el crudo, mientras que la porcin restante (1-I) del agua de dilucin pasa a travs del equipo desalador sin sufrir ningn cambio. Generalmente I se considera como la eficiencia de mezclado.

Para la seleccin de un sistema de tratamiento ptimo de un crudo especfico, deben considerarse una serie de factores para la determinacin del mtodo de tratamiento deseable, entre los cuales se citan:

- Caractersticas de la emulsin. - Gravedad especfica del crudo y del agua de produccin. - Caractersticas corrosivas del crudo, el agua de produccin y el gas asociado. - Tendencias a la deposicin de slidos y generacin de incrustaciones del agua de produccin. - Volmenes de fluidos a tratar y contenido de agua en el crudo. - Tendencias a la deposicin de parafinas y asfaltenos del crudo. - Presiones de operacin deseables en los equipos.

Adems de los factores antes mencionados para la seleccin del sistema de tratamiento, los cuales a su vez permiten escoger los separadores electrostticos en aquellos casos en que las emulsiones esperadas sean de alta estabilidad, por lo que debe considerarse una serie de parmetros bsicos asociados a la accin del campo electrosttico. Entre estos factores se cuentan (Lowd et al., 1967; Burris 1974, 1978):

- Temperatura de separacin. - Factor de carga (barriles de crudo tratado por da/rea de rejilla electrosttica), el cual define el tiempo de retencin del crudo como la velocidad de sedimentacin de las gotas de agua. - Voltaje o diferencia de potencial requerida por unidad de longitud de separacin de rejillas. - Factor de velocidad de sedimentacin (el cual relaciona las propiedades fsicas del crudo y el agua, y representan la fuerza impulsora de la separacin gravitacional).


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Ttulo: Deshidratacin de Crudo - Principios y Tecnologa Autor: Shirley Marfisi y Jean Luois Salager Referencia: Cuaderno FIRP N 853PP Fecha (mayo 2004) Editado y publicado por: Laboratorio FIRP Escuela de INGENIERIA QUIMICA, UNIVERSIDAD de Los ANDES Mrida 5101 VENEZUELA

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