Selección de un Separador

 Parámetros para la selección de un separador. Para un diseñador los parámetros en los cuales se apoya la toma de decisiones pueden ser alrededor de 80, no obstante, cuando empezamos a refinar la selección, llegamos a la conclusión que con cuatro parámetros fundamentales podemos manejar la mayoría de los diseños: presión, temperatura, velocidad y composición.

       La composición es un parámetro muy importante, porque de ella depende la cantidad de líquido y de gas que se pueden separar a determinadas condiciones de presión y temperatura, así como las características de los fluidos resultantes, que pasan a formar parte de los elementos que intervienen en las diferentes ecuaciones para hacer el trabajo.

       La presión y la temperatura de diseño y subsiguiente operación del equipo definen la manera cómo han de separarse los fluidos y sus respectivas composiciones, las que - de hecho - resultan de manera natural cuando el operador fija las condiciones de trabajo del equipo. Cuando se empezó con el análisis del comportamiento de los recipientes el aspecto que más se estudió es el valor de la presión que debería  colocarse en c/u. de los equipos ubicados en serie para obtener la mayor cantidad de petróleo  en el sistema.  Al comienzo las empresas petroleras colocaban la batería de separadores en un camión y se ajustaban  las variables hasta conseguir las condiciones óptimo-económicas para operar la instalación. Hoy con la vigencia de la computación y los simuladores,  la respuesta se obtiene de manera rápida y segura.

       Adicionalmente el ingeniero ha empezado a darle importancia al gas natural y aprecia el valor de esta manifestación energética,  con lo cual no fija la atención únicamente en la cantidad de petróleo que obtiene sino que - además - contabiliza el ingreso que puede aportar el gas natural, con lo cual se descubren hechos impactantes. No es extraño que el valor del gas natural que sale por el tope del separador sea mayor que la porción de petróleo que involuntariamente defiende.

       Quedaron en el pasado los precios bajos del petróleo y el desprecio del gas natural.

       La velocidad, el último de los cuatro parámetros que hemos ubicado en la prioridad es una consecuencia inicial del caudal de gas que ha de operar el separador, la presión y la temperatura de operación y de las características de los fluidos que se separan.

       ¿De qué depende el valor de la velocidad?

       Lo primero  que debemos advertir es que la velocidad, aquí referida se calcula en función de la sección transversal del recipiente y no de la sección disponible para el paso del gas en el extractor de niebla específicamente elegido para el separador que estemos calculando.

       Durante los últimos cincuenta años, esa velocidad dentro del recipiente ha venido cambiando en función de la tecnología que se emplee. Los primeros en el análisis, los separadores gravitacionales, se calculan considerando la atracción de la gravedad y las ecuaciones empleadas,  todavía vigentes, se movían en un nivel aproximado de 0,5 a 1,5

pies/seg.  En estos modelos los  extractores de niebla se ubicaban tratando de ocupar toda la sección transversal del recipiente con espesores de 6" a 12".

       En el proceso de ir buscando una mayor eficiencia, al separar las gotas de líquido arrastradas por el gas, se fueron cambiando los modelos y se utilizaron exactores que simulaban un techo inclinado, con lo cual aumentaban el área de contacto, hasta que - finalmente -  se llegó al diseño de extractores verticales que fueron colocados entre la boquilla de entrada de los fluidos y la costura superior del recipiente. Se mejoró la calidad de los materiales utilizados y la configuración de los extractores, con lo cual - como mínimo - se duplicó la velocidad permitida en la sección del tope exclusiva para el movimiento de la fase gaseosa. Algunos diseñadores llevan estas velocidades a niveles más altos, no obstante la experiencia de campo invita a trabajar con cautela para prolongarles la vida a los equipos.

       Se debe aclarar que las cifras mencionadas con una referencia para un separador promedio que trabaje a 500-1000 lpcm. Cuando se diseñan unidades de baja presión los valores de la velocidad lucen muy altos. En estos casos el impacto de la tasa másica sobre los filtros es mucho más bajo, dado la presión con la cual se trabaja.

       Los separadores ciclónicos abandonan la velocidad gravitacional como elemento de diseño y se apoyan en el empleo de la fuerza centrífuga para separar los fluidos. En este tipo de unidades ya no se toma en cuenta el tiempo de residencia de los fluidos, dentro del recipiente, para que el gas se separe, se pretende imponer una acción instantánea, con la cual los fluidos que entran al recipiente rotan a velocidades en el orden de 100 a 200 veces la aceleración de gravedad,  para aislar las fases de gas y líquido que salen del recipiente.

       En este tipo de unidades es importante evitar que el gas, dada la presencia de un remolino muy fuerte,  salga por el fondo. Esto obliga a diseñar y colocar rompedores de vórtices de muy buena calidad para evitar que el gas se vaya conjuntamente con los líquidos,  eliminando la condición obligante del separador.

       En la sección del tope,  también se vuelve esencial, evitar  el arrastre de líquidos debido a que -  en la condición de entrada del fluido y salida instantánea -  se debería mantener una interfase constante, para lo cual se requeriría  una relación gas-petróleo, estable. Eso es prácticamente imposible.

       Diseño de separadores gravitacionales.

       Cuando se empieza a trabajar con el diseño, lo más recomendable es comenzar el proceso de aprendizaje con un separador vertical.

       En cada recipiente vertical, prácticamente tenemos dos separadores porque la sección superior se diseña para el paso del gas, a una velocidad determinada que, en esencia, depende del tipo de extractor de niebla que se coloque.

       Después de seleccionar el diámetro, que por lógica debe adaptarse a la disponibilidad del mercado, se calcula la altura que ocuparían los líquidos dentro del diámetro seleccionado. No se toma en cuenta, a los efectos de estos cálculos, el

volumen de los casquetes, con lo cual se compensa el espacio ocupado por los internos del recipiente, la arena y el sucio que se deposita en el fondo del separador.

       Para calcular la cantidad de líquido que debe retener el separador se debe considerar, además  del volumen de líquido por minuto, el tiempo que debe permanecer ese fluido dentro del recipiente para que pueda liberar el gas. Un objetivo sencillo de este comportamiento se logra con la expresión "el gas no debe llegar al tanque cuando todavía burbujea" porque se crean condiciones inseguras de alta peligrosidad.

       Una vez que se calcula la altura de líquido, se debe dimensionar el equipo, tratando de que el espacio entre las costuras del recipiente, dividido entre el diámetro del separador caiga dentro de las condiciones fijadas por la normativa que se emplea.

       Algunas normativas utilizan una esbeltez (L/D) entre 2 y 4,  otras se ubican entre 2,5 y 6.  El diseñador debe emplear alguna de las normativas existentes y aplicarlas hasta satisfacer las condiciones del diseño.

       Cuando el cilindro se coloca en forma horizontal, el cálculo que se sigue es prácticamente el mismo de los separadores verticales. La diferencia está en que antes de distribuir el espacio para gas y líquido se debe trabajar con la sección transversal del cilindro calculando la altura de la cuerda necesaria para acumular el volumen de líquido que se debe retener en el recipiente horizontal durante el tiempo de permanencia fijado en la normativa.

       Una vez que se selecciona la sección transversal para acumular cada una de las fases (gas, petróleo y agua) se debe cuidar que el tiempo de residencia de  los fluidos dentro del separador sea el necesario para que las tres fases se separen,  sobre todo, la fase agua con respecto a la de petróleo, lo cual está en función del tamaño de la partícula requerida en cada una de las fases.

       La esbeltez (valor de L/D)  se emplea para calcular de forma iterativa el diámetro requerido para que el separador funcione a cabalidad.  Si en un primer intento, al calcular L/D no se satisfacen los tiempos de retención, se cambia el diámetro y se repite el cálculo hasta que se logre la condición prevista. Hay casos donde el bajar demasiado el tamaño de la partícula el simulador no funciona porque no consigue en el mercado el tamaño debido para satisfacer la exigencia.

       No se incluye en este análisis lo inherente a los separadores ciclónicos porque, en este caso, cambian la tecnología y se emplea la fuerza centrífuga en lugar de la atracción de gravedad. Lo que se suele hacer es utilizar algunos internos de la tecnología ciclónica en los separadores gravitacionales. Por ejemplo es común instalar un tubo ciclónico a la entrada del fluido, como separador primario, en lugar de una caja de choque o colocarles rompe vórtices a las unidades convencionales para garantizar que no se canalice el gas por el fondo del recipiente.Con estas alternativas, el lector tendría una buena guía para trabajar en la selección de separadores cuando ello sea necesario.