Escuela Politcnica NacionalFacultad de Geologa Y PetrleosCarrera de Ingeniera en Petrleos, GEO A6

Separador vertical de alto rendimiento Tipo CiclnicoMeja Obaco Byron

byron181@hotmail.comJunio 2015

Resumen

El separador vertical ciclnico de lata eficiencia nace con la necesidad de lograr grandes cantidades de fluido separado de gas y solidos contando con pequeos espacios de trabajo la fuerza motriz detrs de un gran esfuerzo de investigacin, especialmente para el flujo gas-liquido. Recientemente, la industria ha puesto su atencin en tratar de entender la presencia simultnea de gas-crudo-agua en tuberas. Sin embargo, el estudio de los sistemas trifsicos requiere que los casos lmite gas-lquido y lquido-liquido estn bien estudiados y comprendidos.Los conocimientos claros a cerca del flujo multifario en tuberas y en otros espacios, representan la base para el estudio, desarrollo, y diseo de separadores En la actualidad, existen muchos avances cientficos referente a este tema, uno de los impulsores y cientficos del mundo que ha estudiado estos sistemas es Ovadia Shoham, Ingeniero y profesor de Ingeniera en Petrleos de la Universidad de Tulsa, quien a tiene un PhD en Ingeniera Mecnica de la Universidad Tel Aviv, y MS y BS en Ingeniera Qumica de la prestigiosa Universidad de Houston y Technion en Israel respectivamente, este Doctor y cientfico a desarrollado un libro llamado modelado mecnico de gas-lquido en dos fases en tuberias, con colaboracin del Dr. Luis Gmez de Tulsa tambin.Los objetivos del libro son de dos tipos: proporcionar una visin y comprensin de los fenmenos de flujo de dos fases y desarrollar herramientas de anlisis, ya sea para el diseo de sistemas de flujo de dos fases o la realizacin de la investigacin en esta rea. Con ayuda de la informacin que podemos encontrar en el material realizado por los doctores Shoham y Gmez, se ha podido desarrollar un separador vertical tipo ciclnico de alto rendimiento, en la Universidad de Tulsa, el cual ha servido como una facilidad muy eficiente en reas afines al estudio.

RecursosSeparadoresLos separadores ciclnicos brindan la ventaja de trabajar con gases a altas temperaturas y costos razonables.

Son frecuentemente utilizados como dispositivo para la recepcin de producto o separador de polvos en sistemas de trasporte neumtico, como pre filtro para filtros de mangas de alta eficiencia o como filtro final en aplicaciones con polvos gruesos.Su funcionamiento es el siguiente Separar primeramente las fases de los hidrocarburos en su mayora lquidos, de los que son en su mayora gas. Acotar la separacin primaria mediante la eliminacin de la mayora de las pulverizaciones de lquidos del gas atrapado. Refinar an ms la separacin mediante la eliminacin del gas atrapado en el lquido acumulado. Aprobacin de la gestin del gas y lquidos separados del buque y asegurar que no se re-suspenda el uno del otro.Clases de Separadores y sus Ventajas.Un separado es un equipo sujeto a presin que nos ayuda a separar agua, aceite y gas de una mezcla hibrida de un hidrocarburo.Separadores Verticales. Pueden manejar ms lquidos por unidades de gas que los horizontales. Su gran capacidad para almacenar lquidos, hace que su aplicacin sea mandataria en los casos en que se presentan cabezadas de lquidos momentneas, como sucede en los pozos que estn en produccin por inyeccin de gas.Separadores Horizontales.

Son los ms econmicos cuando se pretende manejar grandes volmenes de gas con relativamente poco lquido. No son recomendables cuando el gas contiene lodo o arena, ya que la limpieza se dificulta por su forma y construccin interna.Separador Ciclnico.Un separador ciclnico es un equipo utilizado para separar particulas solidas suspendidas en el aire, gas o flujo de lquido, sin el uso de un filtro de aire, utilizando un vrtice para la separacin. Los efectos de rotacin y la gravedad son usados para separar mezclas de slidos y fluidos. El mtodo tambin puede separar pequeas gotas de un lquido de un flujo gaseoso.Una alta velocidad del flujo de aire se establece dentro del contenedor cilndrico o cnico llamado cicln. El aire fluye en un patrn helicoidal, comenzand o desde lo ms alto (el final ms ancho) del cicln a lo ms bajo (ms estrecho) y finalizando en un flujo central ascendente que sale por el tubo de salida (en la parte ms superior del cicln). Las grandes (y ms densas) partculas en el flujo rotatorio tienen demasiada inercia para seguir la fuerte curva ascendente en la parte inferior del cicln, y chocan contra la pared, luego caen hacia la parte ms baja del cicln donde pueden ser retiradas. En el sistema cnico, el flujo de rotacin se hace cada vez ms estrecho, reduciendo cada vez ms el radio del flujo, esto permite remover cada vez ms partculas pequeas. La geometra del cicln, junto con su flujo volumtrico, define el punto de corte del cicln. Este es el tamao de las partculas que sern retiradas del flujo con un 50% de eficiencia. Partculas ms grandes que el punto de corte del cicln sern retiradas con mayor eficacia, y partculas ms pequeas con menor eficacia.Un diseo de cicln alternativo usa una corriente de aire secundaria para recolectar las partculas que chocan contra las paredes del aparato, para protegerlo de la abrasin. El flujo de aire primario que contiene las partculas entra desde la parte inferior del cicln y es forzado a una rotacin espiral por unas aspas rotatorias. El flujo de aire secundario entra en la parte superior del cicln y se mueve hacia abajo, interceptando partculas del flujo principal de aire. El flujo secundario permite que el colector pueda ser montado de forma horizontal, porque empuja a las partculas al rea de recoleccin y por lo que no precisa solamente de la gravedad para realizar su funcin.ResolucinSeparador Ciclnico de Gas-Lquido El separador cilndrico ciclnico de gas-lquido (GLCC), es un tubo instalado de forma vertical sin partes mviles o dispositivos internos lo que constituye una gran ventaja de ste tipo de sistemas. El GLCC es alimentado por una tubera ligeramente inclinada para promover la estratificacin de las fases de la mezcla y obligar a una pre separacin; esta tubera es acoplada en un costado del cuerpo del separador, una vez que la mezcla se encuentra en el interior del separador, es expuesta a una combinacin de fuerzas gravitacionales, centrfugas y de flotacin; de esta forma, cuando el fluido rota, es expuesto a un campo de fuerzas centrfugas; la porcin ms densa de la mezcla (lquido) es forzada de forma radial hacia la pared del cilindro, mientras que la porcin ms liviana (gas) permanece en el centro del remolino. Posteriormente, las fases son expuestas a fuerzas gravitacionales y de cuerpo, provocando que el lquido se recoja en el fondo del separador y el gas se extraiga por la parte superi or. El correcto dimensionamiento del GLCC propiciar un campo de fuerzas centrfugas y gravitacionales que actan sobre el campo de flujo en el interior del cilindro, suficiente para lograr la separacin de las fases de una manera eficiente, manteniendo estables ciertos parmetros de proceso como el nivel de lquido en el separador para una condicin dada; sin embargo, el dimensionamiento se establece en base a un rango limitado de condiciones de proceso como los flujos volumtricos y viscosidades de las fases, adems de la presin de la mezcla.Componentes del Separador ciclnico.

Ducto de entrada: Este ducto conduce la mezcla multifsica al interior del separador y a la vez acta como un pre-separador de la mezcla, ste elemento es crucial para la distribucin del flujo y las velocidades tangenciales del flujo en el interior del GLCC. Una ligera inclinacin del ducto promueve la separacin de la mezcla multifsica dando lugar a una estratificacin de la misma. El ngulo de inclinacin con respecto a la horizontal juega un papel importante en la pre-separacin de la mezcla, considerando que la estratificacin de la misma depende de dos parmetros: el parmetro de inclinacin que a su vez, es funcin del ngulo de inclinacin y el parmetro de cada de presin de Lockhart-Martinelli. Por otro lado, este ducto termina en una tobera que se acopla al cuerpo del separador, el objetivo de dicha tobera es la aceleracin de la mezcla para alcanzar los valores de velocidades requeridos por la separacin en el interior del separador (10 a 20 pies/seg). Si las velocidades tangenciales exceden el rango recomendado pueden llegar a desarrollar un vrtice con demasiada longitud provocando prematuramente el arrastre de las fases; por otro lado, la velocidad tangencial no debe sobrepasar la ve locidad de erosin recomendada por la norma API RP14E. Cuerpo del separador: La relacin de longitud-dimetro L /d del GLCC, tiene una gran influencia sobre el nivel de eficiencia en la separacin y el costo del mismo. Para un dimetro dado, la longitud del GLCC por arriba del ducto de entrada debe proveer la capacidad para manejar la fase gaseosa y evitar su arrastre por la fase continua de lquido, mientras que la longitud por abajo de la entrada determina el tiempo de residencia para separar las burbujas de gas del lquido. Durante el recorrido del flujo, las fuerzas de flotacin, arrastre y centrfugas, actan sobre cada partcula de fluido para lograr la separacin de las fases, las fuerzas centrfugas son inversamente proporcionales al dimetro d, mientras que la disminucin en la velocidad tangencial del fluido es directamente proporcional a la longitud L.Dimetro del separador. Dos parmetros han sido establecidos para la adecuada determinacin del dimetro del GLCC, las velocidades crticas del gas y el lquido. La velocidad crtica del gas es funcin de la presin y las propiedades del fluido y es definida como la velocidad mnima requerida para que las gotas de lquido puedan ser arrastradas hacia la lnea de salida de gas; por otra parte, la velocidad crtica del lquido es la velocidad mnima requerida para mantener una relacin de la velocidad tangencial a la velocidad axial en un orden de 20 pies/seg y mantener una alta eficiencia en la separacin (Gmez, 1998). El dimetro mnimo del GLCC debe de ser mayor que los dimetros calculados para las velocidades crticas del gas y el lquido.Longitud del GLCC. Una longitud del GLCC por arriba del ducto de entrada, menor a la requerida, provocara un exceso de lquido en la parte superior del separador como resultado de la formacin del vrtice de flujo en las inmediaciones de la salida de gas. sta situacin dara lugar al arrastre de lquido en la lnea de gas, por lo que el valor mnimo recomendado de esta longitud, a partir de experimentacin y experiencias de campo es de 4 a 5 pies, para separadores con dimetros de 3 a 6 pulgadas (Gmez, 1998). La longitud por abajo de la entrada del GLCC debe de mantener una columna constante de lquido por abajo del vrtice de flujo, para diferentes condiciones del proceso; de esta forma, se proporciona el tiempo necesario para la separacin de las fases y evitar el arrastre de burbujas en la columna de lquido. El valor recomendado de esta longitud es de 4 a 5 pies, para el mismo rango de dimetros sealado anteriormente. Nivel de lquido: Debido a las altas velocidades tangenciales de la mezcla, algunas burbujas de gas penetran en el vrtice de lquido por abajo de la interfase gas-lquido, este fenmeno implica el acarreo de burbujas de gas en la lnea de lquido, que tiene lugar para bajos flujos de lquido cuando el vrtice se forma en la parte baja del GLCC. Bajo condiciones de altos flujos de gas y lquido puede presentarse el fenmeno contrario; es decir, que partculas de lquido puedan ser arrastradas en la fase de gas, fenmeno conocido como arrastre de lquido. El nivel de lquido en el GLCC es determinado por la cada de presin entre las salidas de gas y lquido y constituye un parmetro fundamental para el funcionamiento ptimo del GLCC.

Nomenclatura

L: longitud. d: dimetro. Ft: pies, unidad de longitud. Seg: segundos, unidad de tiempo

Conclusiones El xito en la medicin de los flujos volumtricos de las fases de la mezcla multifsica depende de un adecuado proceso de separacin, el cual debe garantizar el mnimo arrastre de las fases, en este sentido, es importante mencionar que los medidores del flujo volumtrico tipo coriolis estn diseados para cuantificar una sola fase, por esta razn, la separacin de las fases juega un papel determinante en el proceso de medicin. Como se pudo observar en este trabajo el (GLCC), es una herramienta muy verstil siempre y cuando el dimensionamiento propicie un campo de fuerzas centrifugas y gravitacionales que acten sobre el campo de flujo en el interior del cilindro, suficiente para lograr la separacin de las fases de una manera eficiente, manteniendo estables ciertos parmetros del proceso..Recomendaciones

La tecnologa del separador cilndrico ciclnico de gas lquido todava est en desarrollo, por lo tanto para su uso debemos tomar en cuenta el flujo que tenemos, para que nuestro separador funcione de manera ms adecuada. Para el uso de ste separador, recomendamos tener en cuenta los fenmenos que se presentan dentro de ste, para tener un funcionamiento ptimo del separador.

Bibliografa

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