Modulo 5 - ores Reales
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Especialización en Ingeniería del GasEscuela de Ingeniería de Petróleos - Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas
Módulo 5 – Separadores Reales
Diseño Asistido Por Computador
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Principios de la Separación de Fases
Tres princ ip ios son usados para logra r la separac ión d e gas ylíquidos o sólidos:
Cam bio d e Momentum Asenta miento por Graved ad
Coalescencia
Cua lquier sep arador pued e emp lea r uno o má s de estosprinc ip ios, pero pa ra lograr la separac ión las fases deben tener,las siguientes c arac te rísticas:
Inmiscibles Tener d iferentes densidades
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Conservación del Momentum
Este p rinc ip io es ap lic ab le en c uanto : dos fases fluyend o c on
d iferentes densidades siem pre tendrán d iferentes mom entum.Si una c orriente c on d os fases c amb ia b rusc amente de d irec c ión elaumento d el mom entum no permite q ue las pa rtíc ulas de la fasemá s pesada se d esp lac en ta n ráp idamente c omo las del fluido m ásliviano y así la separac ión oc urra .
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Asentamiento por Gravedad
Las gotas de líquido se asentaran más ráp ido, liberándose de la fase
g aseosa , si la fuerza d e la g ra ved a d q ue a tra e la s g ota s es m ayorque la fuerza de arrastre del gas fluyendo alrededor de las gotas.
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Para desc rib ir este efec to se utiliza la siguiente ec uac ión:
( )p l g
t
l g
2gMρ -ρV
ρ ρ C'
=
( )p l g
tg
4gDρ -ρV =
3ρ C'
Asentamiento por Gravedad
Ap : Área sec c ional de la pa rtíc ula o g ota .ρg: Densidad de la fase ga seosa (lb / p ie3)ρl: Densidad de la fase líquida (lb / p ie3)Dp: Diáme tro d e la g ota (pies)
g: Ac elerac ión loca l de la graved ad (32.2 pie/ seg 2)Vt: Veloc idad te rminal o c rític a (p ie/ seg )C’ : Coeficiente d e a rrastre d e la p a rtíc ula .Mp : Ma sa de la go ta o pa rtíc ula (lb )QA: Flujo rea l de gas (p ie3 /seg)W: Flujo to ta l de líquidos (ba rril/ d ia)
t: tiempo de retenc ión (min)U: Volumen d e la sec c ión de a senta miento(barriles)
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Asentamiento por Gravedad
El c oe fic iente d e arrastre C ’ es func ión de la forma de la partíc ula y
del número d el número d e Reynolds (Re) del gas fluyendo.
El número d e Reynolds está definido c omo:
Para resolver las ec uac iones se utiliza la c orrelac ión g rá fic a y lasiguiente formula :
µ: Visc osidad de la fase c ont inua (cp )
p t g
e
1,488D Vρ
R = μ
( )( )
( ) ( )
8 3
2 g p l g
e 2
0.95 10ρ D ρ -ρC' R =
μ
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Coeficiente de Arrastre
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Asentamiento por GravedadLey de Stokes
Para números de Reynolds ba jos (menores de 2) existe una relac ión
linea l entre e l c oefic iente de a rrastre y e l número d e Reynolds:
La ley d e Stoke’ s ap lic a para este c aso y la veloc idad termina l o
c rític a pued e expresarse c om o:
El d iámetro m áximo de partíc ula pa ra Re = 2, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.0080
-1
eC'=24R
( )2
p l g
t
1,488Dρ -ρV =
18μ
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Asentamiento por GravedadLey de Stokes
El d iámetro m áximo de partíc ula pa ra Re = 2, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.0080 y donde Dpse ob tiene de la siguiente ec uac ión:
( )
0.332
p RC
g l g
μD =K
gρ ρ -ρ
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Asentamiento por GravedadLey Intermedia
Para números de Reynolds c omprend idos entre 2 y 500, la ley
intermed ia a p lic a y la ve loc idad termina l de a senta miento pued eexpresarse c omo:
El d iámetro máximo d e partíc ula pa ra Re = 500, se enc uentra c on lamisma ec uac ión de Dp usando un va lor de KRC = 0.334
( )0.71
0.71 1.14
p l g
t 0.29 0.43
g
3.49g Dρ -ρV =
ρ μ
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Asentamiento por GravedadLey de Newton
La ley d e New ton es ap lic ab le p a ra números de Reynold ’ s en e l
rango d e 500 a 200,00, y tiene ap lic ab ilidad para la sep arac ión d epartíc ulas de g ran ta maño (fla re knoc kout d rum). El va lor límite d elc oefic iente de a rrastre es 0.44 pa ra número de Reynolds mayores a500.
El límite sup erior de Re para este rango es de 200,000 y el de KCResde 18.13
( )p l g
t
g
gDρ -ρV =1.74
ρ
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Asentamiento por Gravedad
Para cada una de las leyes anteriores existe un diámetro de partícula crítico porencima del cual la ley no aplica.
Kcr = 18.13 para ley de NewtonKcr = 0.334 para ley Intermedia
Kcr = 0.025 para ley de Stokes
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Coalescencia
Cua ndo las pa rtíc ulas son demasiado peq ueñas c omo en las
neb lina s polvos y/ o d ispersiones, es imposib le separa rlas por el sólofenómeno de las fuerzas de a trac c ión g ravita c iona l. Se busc a enestos c asos que las pa rtíc ulas c oa lesc an y c rezc an p ara separa rlas.
Los c oa lesc edores c onsisten en e lementos c on c ana les de a lta
to rtuosidad a través de los c ua les los gases son fo rzados. Elmomentum de las gota s hac en q ue estas c hoq uen unas c on o tras yc on el elemento c oa lesc ed or forma ndo go tas de ta ma ño má sgrande , que p ueden sed imentarse p or g ravedad .
Son e jemplos de elementos c oa lesc edores las ma llas metá lic as, loselementos de láminas onduladas y los filtros de c a rtuc ho.
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Eliminador de Rocío tipo Vane
Los eliminadores de rocío t ipovane utilizan un espac iore la t ivamente cerrado con una rreg lo que p roporc iona unflujo sinusoida l o en zig-zag . Elc amb io en la d irec c ión del
flujo de gas c omb inado c onla inerc ia de las gotas delíquido, causan el choque delas gotas en la superfic ie de lalámina , seguido por la
c oalesc encia y drenaje.
Gas y finas gotasson forzadas a
cambiar dedirección varias
veces, pasando a
través del arreglo
de aletas
Las gotas grandes mantienen sumomento mientras viajan en
trayectorias rectas, chocando lasaletas y adhiriendose.
Las gotas capturadas sefusionan hasta cuando
alcanzan el suficientepeso para ser drenadas
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Al igua l que para el eliminador de roc ío tipo mesh, los
parámetros de rend imiento son la e fic ienc ia de remoc ión de lasgotas y el manejo de c apac idad de gas. La ec uac ión deSoud ers a nd Brow n en c onjunto c on el fa c tor d e c a pa c id ad oc arga pueden utilizarse para c a lcula r la c apac idad deleliminad or de rocío t ipo vane.
Rendimiento de Eliminadores de Rocío tipo Vane
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Criterios de Dimensionamiento de SeparadoresManejo de Líquidos (Tiempo de Residencia)
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Clasificación de los separadores
Cada tipo de separador tiene ventajas específicas y limitaciones. La selección deun tipo de separador está basada en muchos factores incluyendo lascaracterísticas del vapor de producción a ser tratado, disponibilidad del espaciodel suelo en el sitio de la facilidad, transporte y costo.
• Separadores verticales.
• Separadores Horizontales
• Separadores Esféricos
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SELECCIÓN DEL TIPO DE SEPARADOR
VERTICAL
Peq ueños volúmenes de g asy/o líquidos
Muy a ltas relac iones gas/ líquidoo c uando el volumen de gas esbajo.
El espac io p ara la insta lac ión eslimitado.
Cuando se desea fác il c ontrol
de nivel.
HORIZONTAL
Grand es volúmenes de g as y/olíquidos.
Altas a med ias relac ionesgas/líquido.
Tend enc ia de líquidos a formarespumas.
Sep arac ión trifásic a .
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SEPARADORES HORIZONTALES
VENTAJAS
Requiere menores diámetrospara capac idades simila resc omparado c on las vasijas
verticales. No ha y contrac orrientes (el flujo
de g as no se opone a l d rena jedel eliminador de roc ío).
Grand es áreas sup erfic iales de
líquido para d ispersión d eespuma. Gran ca pa c ida d p ara
incremento d e volumen.
DESVENTAJAS
Solamente parte d e la c a rc asade la vasija está d isponible parael pa so de gas.
Oc upa má s espac io. El c ontrol de nive l de líquido es
crítico. Es más d ifíc il de limp iar si hay
prod ucc ión d e a renas, lod os,
c eras, pa ra finas, etc .
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Separadores Horizontales
Usua lly liquid residenc e time dom ina ted
Typ ica l L/ Ds
Rule of thumb for two phase sep ara tors:
U = superfic ia l gas ve loc ity (m/s) k = constant (= 0.133 w ith o r w ithout
w ire mesh dem ister) L = sep ara to r leng th (t/ t) (m ) ρl = liquid density (kg/ m3) ρg = ga s density (kg / m3)
API rec omme nded residenc e time s
56.05.0
048.3
×
−⋅=
Lk U
g
gl
ρ
ρ ρ
Operating Pressure
(bara)
Typical L/D
0 to 20 3
20 to 40 4
Over 40 5
Oil Relative Density Retention Time (min.)
< 0.85
> 0.85 > 100oF
80 – 100oF
60 – 80oF
3 – 5
5 – 10
10 – 20
20 – 30
INLET OUTLET
OUTLET
HHLL
HLL
LLLD
150 mm THICK DEMISTER
0.3D OR300 mm MIN
1 min. HOLD-UPOR 250 mm MIN
1 min. HOLD-UP
1 min. HOLD-UPOR 300 mm MIN
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Separadores Horizontales / Esféricos
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SEPARADORES VERTICALES
VENTAJAS
El c ontrol de nivel de líquido noes c rítico.
Tiene un buen d rena je de fondo
que la fac ilita la limp ieza . Pued e manejar más a rena s,
lod os, pa ra finas y ceras sintaponarse.
Dispone d e todo e l d iáme tro
para flujo d e g as en el tope ypara el flujo de líquidos en elfondo.
Oc upa menos espa c io.
DESVENTAJAS
Req uiere mayor d iámetro pa rauna c ap ac ida d d eterminada degas, son m ás c ompet itivos para
muy ba ja o muy a ltas relac ióngas/líquido.
No se rec omienda donde hayaposib ilidad de slug.
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Separadores Verticales
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Separadores Verticales
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Separadores Verticales
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Separadores TrifásicosOil/Water/Gas
Water will still containsome oil (ppm-level)
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Tipos de separadores según sufunción
Existen diferentes tipos de separadores, de acuerdo con la función quedesempeñan, algunos de ellos son:
• Separadores de agua libre
• Despresurizadores.
• Separadores especiales
• Separadores generales y de prueba
• Slug catchers
• Separador por expansión o recipiente de expansión
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Secciones del separador.
Un separador consta generalmente de cuatro secciones, aunque esto puede variar
dependiendo del tipo de separador. Las cuatro secciones son:
A. Sección de separación primaria.B. Sección de separación secundaria.C. Sección acumuladora de líquido.D. Sección extractora de neblina.
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Sección de Separación Primaria
Cyclone Inlet Device
Cyclone Inlet Device withPerforated Baffle Plate Inlet Diffuser & Cascade Tray
This device provides primary V/Lseparation. The liquids aredelivered below the liquid surface
Portatest
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Sección de Separación Primaria
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Sección de Separación Secundaria
Liquid coalescer
Foam Reducing Pack Assembly
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Sección Acumuladora de Líquido
Baffle Plate Set
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Sección Extractora de Neblina
El gas fluye
alrededordel alambre
Pequeñas gotasfluyen alrededor del
alambre con el gas
Gotas grandes
chocan el alambrey se adhieren
Las gotas capturadascoalescen y caen
G í d S l ió d Eli i d d
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Guía de Selección de Eliminadores de Niebla Convencionales
Malla de Alambre Vane Malla de Fibra Ciclones
Costos 1 2 – 3 10 3 – 5
Capacidad deGas
5 6 – 15 1 15 – 20
Capacidad deLíquido
5 10 1 10
Tamaño dePartículas
3 – 10
Micrones
10 – 40
Micrones
< 0.1
Micrones
7 – 10
Micrones
Presencia de
Sólidos3 10 1 8
Escala relativa basada en 1 como lo más bajo. Los otros han sido escalados.
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Fenómeno de Arrastre e Inundación
Finas capasde inundación
en el fondo dela malla
Zona activa,captura de
niebla y drenaje
Zona inactivaseca
Zona inundadasustancialmente,
agitada por el gasascendente
Largas gotas
son arrastradasy comienzan a
escapar
Zona activamás alta en
la malla
Toda la mallaes inundada
y agitada
La mayoría de laniebla capturada
es arrastrada
Pocascantidades de
líquido sondrenadas
Punto A:
Velocidad optima,
baja carga de líquido
Punto B:
Alta velocidad y carga de líquido:
comienza el arrastre
Punto C:
Velocidad y carga de líquido excesivas:
inundación y mayor arrastre
M t j I t d Eli i d
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Montaje Incorrecto de un Eliminador de Niebla
Eliminador de niebla
Baja
eficiencia Arrastre
Velocidad dentro delrango de operación
Distancia
corta
Perfil de velocidad no uniforme
M t j C t d Eli i d d
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Montaje Correcto de un Eliminador de Niebla
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Configuraciones Múltiples
Configurac ión Ma lla -Aleta pa ra Ma yorEfic ienc ia de Separac ión
Gas confina niebla
Malla operando a
velocidades porencima del punto de
arrastre
La mayoría de lasgotas capturadas son
arrastradas como
grandes gotas
Malla
Unidas enalgunos
casos
Unidad
de aletas
Las aletas
capturan lasgotas
grandes
Drenaje dellíquido
separado
Gas libre
de niebla
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Configuraciones Múltiples
Configurac ión Aletas-Ma lla para Altas Cargasde Líquidos
Gas con carga de líquidomuy pesada para la malla
Unidades de aletasremueven grandes gotas,
reduciendo eficientementela carga de niebla
Unidad
de aletas Malla
Baja cargade niebla,finas gotas
Sinespaciamiento
en algunoscasos
Gaslibre deniebla
Liquido
capturado ydrenado
Problemas en Internos Depositación
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Problemas en Internos – Depositaciónde Naphthenatos
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Separador de Prueba
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Esquema Típico Separador de Entrada
EQUIPOS CON EXTRACTORES DE NEBLINA
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EQUIPOS CON EXTRACTORES DE NEBLINA
Los elimina dores de neb lina son ut ilizados para separa r las
peq ueña s gotas que no fueron rem ovida s en la sep arac ión p rimariao en el asentamiento por graved ad del sep arador. Estas gotas sontíp ic amente menores de 150 a 500 mic rones de d iámetro.
Los eliminadores de neb lina c omúnmente usados son los de ma lla ylos de p lac as ond uladas.
WIRE MESH MIST EXTRACTOR
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WIRE-MESH MIST EXTRACTOR
El rend imiento de separac ión de los eliminadores de roc ío tipoma lla tiene d os aspec tos princ ipa les:
Efic ienc ia de sep arac ión de g ota s
Capa cidad de ma nejo de gas
La efic ienc ia de rem oc ión es típ ic amente suministrada por elfab ric ante c omo una c urva q ue muestra e l % de remoc ión enfunc ión del tama ño de las go tas
WIRE MESH MIST EXTRACTOR
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WIRE-MESH MIST EXTRACTOREFICIENCIA
WIRE MESH MIST EXTRACTOR
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WIRE-MESH MIST EXTRACTOR
La c apac idad de g as en los eliminadores de roc ío t ipo w ire-mesh es universa lmente espec ific ado p or un fac tor de c a rga ode ta ma ño K que es utilizado en la ec uac ión d e Soud ers andBrown.
El á rea req uerida por el eliminador de roc ío es ob tenida de:
l g
t
g
ρ -ρV =K
ρ
A
t
QA=
V
WIRE MESH MIST EXTRACTOR