03 Separación de dos fases

FACILIDADES DE SUPERFICIE: SEPARACIÓN DE DOS FASES Erik Giovany Montes Páez Ingeniero de Petróleos UIS Especialista en Producción de Hidrocarburos UIS Candidato a Magíster en Ingeniería de Hidrocarburos [email protected]

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO P ETRÓLEOSS BUCARAMANGA, JUNIO DE 2013

PROCESOS DE SEPARACIÓN Gas Fluido del pozo

SEPARADOR BIFÁSICO

Líquido

Gas Fluido del pozo

SEPARADOR TRIFÁSICO Crudo

Agua

PROCESOS DE SEPARACIÓN Gas Fluido del pozo

SEPARADOR BIFÁSICO

Líquido

Gas Fluido del pozo

SEPARADOR TRIFÁSICO Crudo

Agua

DEFINICIÓN DE FASE Cualquier parte homogénea y distinta de un sistema, que se encuentra separada de las otras partes por un límite definido. No necesariamente es continu continua. a.

SEPARACIÓ SEP ARACIÓN N BIF BIFÁSICA ÁSICA El fenómeno se debe a una reducción de presión por debajo de la presión de saturación (presión de burbuja), que lleva a la liberación de una fase gaseosa.

P > Pb

P > Pb

P = Pb

P < Pb

P = P atm

SEPARADORES HORIZONTALES Lss

3 d5

1 a

b

4

d c 2

Componentes del Separador:

Fenómenos:

1.

Entrada de los fluidos

a) Expansión

2.

Salida de líquidos

b) Agitación

3.

Salida de gases

4.

Deflector de entrada

c) Asentamiento gravitacional

5.

Extractor de niebla

d) Retención de gotas

SECCIONES DE UN SEPARADOR BIFÁSICO Todos los separadores bifásicos tienen en común cuatro secciones: •

Deflector de entrada: Elemento que cambia abruptamente la dirección de flujo, causando la liberación del gas.



•

Sección de asentamiento de líquido: la zona inferior del separador proporciona el tiempo necesario para que el gas atrapado se libere hacia la parte superior.



•

Sección de asentamiento de líquido

•

Sección de asentamiento gravitacional: En esta región se presenta una reducción de la velocidad de flujo de la corriente gaseosa, lo que permite que las gotas de líquido suspendidas caigan por gravedad. Se diseña de tal manera que las gotas mayores que 100 ó 140 micras sean removidas.



•


•

Sección de asentamiento gravitacional

•

Extractor de niebla: Este dispositivo genera numerosos cambios dirección en el flujo del gas, haciendo que las pequeñas gotas de líquido (menores que 100 micras) sean capturadas por elementos coalescedores y caigan por gravedad.



•


•


•

Extractor de niebla:



•


•


•

Extractor de niebla

•

Rompedores de vórtices:



•


•


•

Extractor de niebla

•

Rompedores de vórtices:



•


•


•

Extractor de niebla

•

Rompedores de vórtices

•

Drenajes de sólidos:

VARIABLES DE CONTROL

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo (Suponer un C D=0,34).

  l   g  d   m V 1  0,0119   g  C D 

Re



0,0049

 g d mV  g

C D



24 Re



3 Re

0,5



0,34

12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas.

 TZQ g    g  C D    dLeff  420        P    l  g  d m 

1 2

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido. 2

d Leff



t r Ql 0,7

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido. 4. Establecer relaciones entre el diámetro del separador (d) y la longitud efectiva (Leff ) para las capacidades al gas y al líquido. d (in) 16 20 24 30 36 42 48

Gas Leff (ft)

Líquido Leff (ft)

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido. 4. Establecer relaciones entre el diámetro del separador (d) y la longitud efectiva (Leff ) para las capacidades al gas y al líquido. 5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss) para cada diámetro.

d

Para Leff > 7,5ft:

LSS  Leff 

Para Leff < 7,5ft:

LSS  Leff  2,5

12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido. 4. Establecer relaciones entre el diámetro del separador (d) y la longitud efectiva (Leff ) para las capacidades al gas y al líquido. 5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss) para cada diámetro. 6. Determinar la relación de esbeltez para cada diámetro.

SR



12 LSS

d

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Calcular la capacidad al líquido. 4. Establecer relaciones entre el diámetro del separador (d) y la longitud efectiva (Leff ) para las capacidades al gas y al líquido. 5. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss) para cada diámetro. 6. Determinar la relación de esbeltez para cada diámetro. 7. Seleccionar la opción que contenga una relación de esbeltez entre 3 y 4. En caso de que dos o más opciones se encuentren en ese rango, se puede tomar la decisión de usar la de diámetro menor, pues implica un costo más bajo.

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Horiz.) Ejemplo: Diseñar un separador horizontal bifásico con los siguientes datos. Producción de gas:

10MMscfd

Gravedad específica del gas:

0,6

Producción de crudo:

2000BOPD

Gravedad API:

40°

Presión de operación:

1000psia

Temperatura de operación:

60°F

Tamaño de la partícula a retirar: 140 m Tiempo de retención:

3 minutos

TIPOS DE SEPARADORES Existen diversos tipos de separadores, que cumplen determinadas funciones: •

Separadores Horizontales

•

Separadores Verticales

•

Separadores Esféricos

•

Separadores Centrífugos

•

Botas de Gas

•

Separadores Vénturi

•

Separadores de doble barril

•

Scrubbers

•

Slug Catchers

SEPARADORES VERTICALES

HORIZONTAL vs VERTICAL En términos generales, es más recomendable el uso de separadores horizontales, pues estos ofrecen una mayor área para las interfases (G/O y O/W), con lo que se consigue un mejor equilibrio de fases y una separación más rápida. En algunos casos es recomendable el uso de separadores verticales: •

•

•

Los separadores horizontales no son buenos en el manejo de sólidos. En un separador vertical puede instalarse un drenaje en la parte inferior, cosa que no es posible en uno horizontal. Los separadores horizontales ocupan más espacio. Sin embargo, al usar varios separadores, éstos pueden ubicarse uno sobre otro. Los separadores verticales son más versátiles para el manejo de tasas de producción variables.

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo (Suponer un C D=0,34).

  l   g  d   m V 1  0,0119   g  C D 

Re



0,0049

 g d mV  g

C D



24 Re



3 Re

0,5



0,34

12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. De aquí se obtiene el mínimo diámetro requerido. Cualquier diámetro superior a éste puede ser utilizado.

     TZQ   C g g D   d 2  5040        P    l  g  d m 

1 2

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo (Tener cuidado, porque en esta ecuación se obtiene h en pulgadas). 2

d h



t r Ql 0,12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo. 4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss). Para d ≤ 36in :

LSS



Para d > 36in :

LSS



h  76 12

h  d  40 12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 4. Calcular la Longitud entre Cordones de Soldadura (L ss): Para d ≤ 36in :

LSS



h  76 12

Para d > 36in :

LSS



h  d  40 12

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo. 4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss). 5. Calcular la relación de esbeltez.

SR



12 LSS

d

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) 1. Determinar el coeficiente de arrastre CD por medio de un proceso iterativo. 2. Calcular la capacidad al gas. 3. Con la ecuación de la capacidad al líquido calcular la altura (h) para varios diámetros mayores que el diámetro mínimo. 4. Calcular la longitud entre cordones de soldadura (Lss). 5. Calcular la relación de esbeltez. 6. Seleccionar la opción que presente una relación de esbeltez entre 3 y 4.

DISEÑO DE SEPARADORES BIFÁSICOS (Verticales) Ejemplo: Diseñar un separador vertical bifásico con los siguientes datos. Producción de gas:

10MMscfd

Gravedad específica del gas:

0,6

Producción de crudo:

2000BOPD

Gravedad API:

40°

Presión de operación:

1000psia

Temperatura de operación:

60°F

Tamaño de la partícula a retirar: 140 m Tiempo de retención:

3 minutos

SEPARADORES ESFÉRICOS

OTRAS CONFIGURACIONES •

Botas de gas


Botas de gas

•



Botas de gas

•


•

Separador horizontal con bota


Botas de gas

•


•


•

Separadores tipo filtro


Botas de gas

•


•


•


•

Slug Catchers


Botas de gas

•


•


•


•

Slug Catchers

•

Scrubber

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