jueves, 3 de julio de 2014

Diseño de Separador Trifásico


COMO ESCOGER EL TAMAÑO Y SELECCIONAR SEPARADORES DE TRES FASES
  
La separación de tres fases en cual las corrientes de pozos petrolíferos son separadas en gas, petróleo y agua libre es un elemento clave para los sistemas de producción utilizados por la industria petrolera.  Este artículo, una extensión de la discusión de separación de dos fases que apareció en la edición de noviembre de WORLD OIL, describe métodos disponibles de equipo y control de tres fases, la teoría básica del diseño de unidades de tres fases, y ejemplos para la selección y tamaños de dichos recipientes.

Los conceptos de diseño de separadores presentados en la edición del mes pasado se relacionan a la separación de dos fases de líquidos y gas.  Estos conceptos también son aplicables a la separación de tres fases, la depuración de gas, y la limpieza de gas.  Cada una de estas en comúnmente utilizada en el campo, en particular la separación de tres fases.

Cuando el petróleo y el agua son mezclados con intensidad y luego se permite que se asienten, una capa de agua relativamente limpia aparece en el fondo.  El crecimiento de esta capa de agua con el tiempo sigue una curva, como la Fig. 1 demuestra.  Después de un período de tiempo (3 a 20 minutos), el cambio en la altura del agua será insignificante.  La fracción de agua, obtenida del asentamiento por gravedad, se llama “agua libre”.  Normalmente es de beneficio separar el agua libre antes de tratar el petróleo restante y las capas de emulsión.

Los separadores de tres fases, comúnmente conocidos como knockouts (deshidratadores mecánicos) de agua libre, son utilizados para separar y remover cualquier fase de agua libre que pueda existir.  Debido a que el flujo ingresa al separador de tres fases directamente de un pozo productivo, o de un separador que opera en una presión más alta, el recipiente debe ser diseñado para separar el gas que se deflagra del líquido así como también el petróleo y el agua.

Los aspectos básicos del diseño de la separación de tres fases son idénticos a aquellos discutidos previamente para la separación de dos fases.  Lo único que se añade a esto es que se presta más atención a las tasas de asentamiento de líquido – líquido y a que se debe añadir algún medio para remover el agua libre.  Luego se discutirán las tasas de asentamiento de líquido – líquido.  La remoción de agua es una función de los métodos de control utilizados para mantener la separación y la remoción del petróleo.  Varios métodos de control son aplicables a los separadores de tres fases y la forma y el diámetro del recipiente determinará, en cierto grado, los tipos de control utilizados.




Figura 1

Emulsion = emulsión
Water = agua
% water in sample = % de agua en la muestra

Fig. 1 – Cómo se desarrolla una capa de agua libre en una corriente de pozo con el tiempo.  Después de 3 a 20 minutos, el cambio en altura (grosor) del nivel del agua será insignificante.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO


Separadores horizontales.

La figura 2 es un esquema de un separador horizontal.  El fluido entra al recipiente y se choca con el desviador de ingreso.  Este cambio repentino en impulso causa la separación bruta inicial del líquido y el vapor descrito en la sección sobre separadores de dos fases que apareció en WORLD OIL el mes pasado.

En un separador de tres fases, el desviador de ingreso contiene un downcomer que dirige el flujo del líquido debajo del interfaz de gas / petróleo y a la vecindad de la interfaz de petróleo / agua.  La sección de recolección de líquidos del recipiente provee suficiente tiempo de retención para que el petróleo y la emulsión formen una capa o “almohadilla de petróleo” en la superficie.  El agua libre se asienta en el fondo.

La figura 2 ilustra un separador horizontal típico con un controlador de interfaz y un vertedero.  El vertedero mantiene el nivel del petróleo y el controlador de nivel mantiene el nivel del agua.  El petróleo es desnatado por el vertedero.  El nivel de petróleo corriente abajo del vertedero es controlado por un controlador de nivel que opera la válvula de descarga de petróleo.





El agua producida fluye de una boquilla en el recipiente localizado corriente arriba del vertedero de petróleo.  Un controlador de nivel de interfaz siente la altura de la interfaz de petróleo / agua.  El controlador activa la válvula de descarga de agua, permitiendo que la cantidad correcta de agua salga del recipiente para que la interfaz de petróleo / agua se mantenga en la altura diseñada.   El gas fluye horizontalmente por el recipiente y sale por el extractor de neblina a una válvula de control de presión que mantiene constante la presión del recipiente. El nivel de la interfaz de petróleo / agua puede variar desde la mitad de su diámetro hasta el setenta y cinco por ciento de su diámetro, dependiendo de la importancia relativa de la separación de líquidos / gas.  La configuración más común es a la mitad y esto se utiliza para las ecuaciones de diseño en esta sección.

Una configuración alternativa (Fig. 3), el diseño de “balde y vertedero”, elimina la necesidad de un controlador de interfaz de líquidos.  El petróleo y el agua fluyen por encima de los vertederos donde un flotador simple de desplazamiento controla el nivel.  El petróleo se derrama por encima del vertedero de petróleo y a un balde donde su nivel es controlado por un controlador de nivel que opera la válvula de descarga de petróleo.  El agua fluye por debajo del balde de petróleo y luego por encima de un vertedero de agua.  El nivel corriente abajo de este vertedero es controlado por un controlador de nivel que opera la válvula de descarga de agua.

La altura del vertedero de petróleo controla el nivel de líquido en el recipiente.  La diferencia en la altura de los vertederos de petróleo y de agua controla el grosor de la almohadilla de petróleo debido a diferencias en gravedad específica.  Es crítico para la operación del recipiente que la altura del vertedero de agua quede suficientemente por debajo de la altura del vertedero de petróleo para que el grosor de la almohadilla de petróleo provea suficiente tiempo de retención del petróleo.  Si el vertedero de agua está muy bajo y la diferencia en gravedad específica no es tanto como lo anticipado, la almohadilla de petróleo podría crecer en grosor hasta que el petróleo es llevado por debajo del colector de petróleo y sale por la salida del agua.  Normalmente, uno de los vertederos, el del agua o el del petróleo, es ajustable para que los cambios en las gravedades específicas del petróleo / agua o en las tasas de flujo puedan ser acomodados.

El control de interfaces tiene la ventaja de ser fácilmente ajustable para manejar cambios no anticipados en las gravedades específicas del petróleo o el agua o en las tasas de flujo.  Sin embargo, en aplicaciones con petróleo pesado o donde se anticipan grandes cantidades de emulsión o parafina, puede ser difícil sentir la interfaz.  En dichos casos, se recomienda el control con balde y vertedero.

Figura 2

Inlet diverter = desviador de ingreso
Inlet = ingreso
Gravity settling section = sección de asentamiento de gravedad
Oil & emulsion = petróleo y emulsión
Water = agua
Pressure control valve = válvula de control de presión
Gas out = salida de gas
Water out = salida de agua
Oil out = salida de petróleo
Level control valves = válvulas de control de nivel

Fig. 2 – Configuración típica de un separador horizontal de tres fases.  El control del nivel de la interfaz mantiene el nivel del agua; el vertedero mantiene el nivel del petróleo.  Los recipientes pueden ser equipados con chorros de arena si la producción de arena es un problema.  Los chorros son diseñados para 20 fps de velocidad y el agua producido normalmente se utiliza para el retrolavado.

Figura 3

Inlet diverter = desviador de ingreso
Inlet = ingreso
Mist extractor = extractor de neblina
Oil & emulsion = petróleo y emulsión
Water = agua
Water weir = vertedero de agua
Oil bucket = balde de petróleo
Pressure control valve = válvula de control de presión
Gas out = salida de gas
Water out = salida de agua
Oil out = salida de petróleo
Level control valves = válvulas de control de nivel





Fig. 3 – La configuración con balde y vertedero para un separador horizontal de tres fases elimina el controlador de interfaz y utiliza un flotador de desplazamiento convencional para operar las válvulas de descarga de petróleo y agua.  Este diseño es útil si se anticipan grandes volúmenes de emulsiones o parafina que podrían ensuciar los controladores de interfaz.

Separadores verticales.

 La figura 4 muestra una configuración típica para un separador vertical de tres fases.  Cuando el flujo entra en el recipiente, el desviador de ingreso separa la mayoría del gas.  Se requiere de un downcomer  para transmitir el fluido por medio de la interfaz de petróleo / gas para no perturbar la acción de desnatación de petróleo que está tomando lugar ahí.  Se necesita una chimenea para igualar la presión de gas entre la sección inferior y la sección de gas.

La salida de la viga de separación o downcomer se encuentra en la interfaz de petróleo / agua.  Desde este punto mientras el petróleo sube, cualquier agua libre atrapado dentro de la fase de petróleo se separa.  Las gotas de agua fluyen en sentido opuesto a la corriente de petróleo.  De manera similar, el agua fluye hacia abajo y las gotas de petróleo atrapadas en la fase de agua suben en sentido opuesto a la corriente de agua.
La figura 5 muestra los métodos de control frecuentemente utilizados en separadores verticales.  El primero es estrictamente control de nivel.  Un flotador de desplazamiento normal es utilizado para controlar la interfaz de gas – petróleo y regular una válvula de control que descarga petróleo de la sección de petróleo.  Se utiliza un flotador de interfaz para controlar la interfaz de petróleo / agua y regular una válvula de control en la salida de agua.  Debido a que no se utiliza ningún deflector o vertedero interno, este sistema es el más fácil de fabricar y maneja la producción de arenas y sólidos mejor que cualquier otro.

El segundo método demostrado utiliza un vertedero para controlar el nivel de la interfaz de gas – petróleo en una posición constante.  Esto resulta en una mejor separación de petróleo / agua debido a que todo el petróleo debe subir hasta la altura del vertedero de petróleo antes de salir del recipiente.  Las desventajas son que la bandeja de petróleo ocupa volumen en el recipiente y su fabricación cuesta.  El sedimento y los sólidos pueden recolectarse en la bandeja de petróleo y pueden ser difíciles de drenar, y un cierre de bajo nivel separado puede ser necesario para asegurar que la válvula de descarga de petróleo siempre abra.

El tercer método utiliza dos vertederos, eliminando la necesidad de un flotador de interfaz.  El nivel de la interfaz es controlado por la altura del vertedero de agua externo con relación al vertedero de petróleo o la altura de salida.  Esto es similar al diseño de balde y vertedero de los separadores horizontales.  La ventaja de este sistema es que elimina el control del nivel de la interfaz.  La desventaja es que pueden existir razones no relacionadas al proceso para seleccionar un recipiente vertical para una aplicación específica.

Elementos internos del recipiente.

 Se describió la mayoría de los elementos internos del recipiente en el artículo del mes pasado sobre la separación de dos fases.  Dos elementos internos comunes que no discutimos previamente son las placas de fundición y los métodos para la remoción de sólidos o arena.

Varios diseños de fundidores de placa o de tubería ayudan con la fundición de gotas de petróleo en el agua y de agua en el petróleo.  Pruebas recientes que utilizan placas Performax de C-E Natco indican que algunos ahorros son posibles en el tamaño del recipiente.

Debido a la potencial de que se tape, se recomienda que los fundidores sean utilizados para extender las capacidades de los separadores de tres fases existentes o cuando existen limitaciones severas de espacio.

La arena y los sólidos pueden acumularse en el fondo de los separadores.  Si se permite que se acumulen, estas acumulaciones perturban la operación del separador al ocupar volumen en el recipiente.  Generalmente, los sólidos se asientan en el fondo y se empacan firmemente.

Un fondo en forma de cono (que algunas veces es provisto con los chorros de arena) puede ser utilizado para ayudar a que los sólidos pasen por medio de los recipientes verticales.  El cono normalmente está en un ángulo al horizontal entre 45º y 60º.  Cualquier arena producida puede tener la tendencia de pegarse al acero en 45º.  Si se instala un cono, puede formar parte de las paredes de contención de presión del recipiente, o por razones estructurales, puede ser instalado en el interior del cilindro del recipiente.  En dicho caso, una línea igualadora de gas de ser instalada para asegurar que la presión del vapor atrás del cono siempre esté equilibrada con la del espacio de vapor.

Para remover los sólidos de cualquier recipiente provisto con chorros de arena empotrados, se abren desagües de arena de una manera controlada y se bombea un fluido de alta presión (generalmente el agua producido) por medio de los chorros para agitar los sólidos y los limpian por inundación.  Los chorros generalmente son diseñados con una velocidad de punta de chorro de 2º fps y se apunta para cubrir bien el fondo del recipiente. Para prevenir que la arena en el fondo tape los desagües, se utilizan bandejas o fosas de arena para cubrir las salidas.  Estas son fosas invertidas con aperturas ranuradas en los costados.

Figura 4

Pressure control valve = válvula de control de presión
Gas out = salida de gas
Mist extractor = extractor de neblina
Oil out = salida de petróleo
Level control valves = válvulas de control de nivel
Water out = salida de agua
Water = agua
Spreader = viga de separación
Downcomer =  downcomer
Inlet = ingreso
Inlet diverter = desviador de ingreso



Fig. 4 – La configuración típica de un separador vertical de tres fases.  El recipiente puede estar equipado con un fondo en forma de cono y / o chorros de arena si la producción de arena es un problema.





Figura 5

Oil = petróleo
Water = agua
Oil out = salida de petróleo
Water out = salida de agua
Oil weir = vertedero de petróleo
Gas equalizing line = línea igualadora de gas
Interface level control = control de nivel de interfaz
Interface level control with oil chamber = idem, con cámara de petróleo
Water leg with or without oil chamber = placa de agua con o sin cámara de petróleo

Fig. 5 – Cómo se controlan los niveles de líquidos en recipientes de tres fases.



Fig. 6 – Cómo determinar la coeficiente Z utilizado para calcular el diámetro máximo del separador que permitirá que gotas de agua de 500 micras se asienten y salgan de la almohadilla de petróleo.

PROBLEMAS CON LA OPERACIÓN


Los siguientes problemas potenciales de operación pueden aplicarse de igual manera a los separadores de dos fases.

Petróleo crudo con espuma

La causa principal de la espuma son las impurezas (aparte del agua) en el petróleo crudo que no pueden ser removidas de una manera práctica antes que la corriente llegue al separador.  La espuma no presenta ningún problema dentro de un separador si el diseño interno asegura el tiempo adecuado o suficiente superficie de fundición para que la espuma se "rompa".

La espuma en un recipiente separador es un problema en tres partes:

·                     El control mecánico del nivel del líquido es agravado porque cualquier dispositivo de control debe manejar esencialmente a tres fases de líquido en vez de dos.
·                     La espuma tienen una relación de volumen a peso muy grande.  Por lo tanto, ocupa mucho del espacio del recipiente, que de otra forma estaría disponible en las secciones de recolección de líquidos o de asentamiento de gravedad.
·                     En un banco de espuma descontrolado, es imposible remover el gas separado o el petróleo degasificado del recipiente sin arrastrar a parte del material espumoso en las salidas de líquido o de gas.

Se puede comparar las tendencias de formación de espuma de una petróleo conocido con uno nuevo, sobre cual no existe ninguna información operativa, con un comparador de espuma.  Los resultados proveen una comparación del problema relativo de espuma que se puede anticipar del petróleo nuevo contra el petróleo conocido.  Entonces se puede hacer un ajuste relacionado en los parámetros del diseño en comparación a los que se conocen ser satisfactorios para el caso conocido.

La cantidad de espuma formada depende de la caída en presión a cual el líquido de ingreso es sujetado, y a las características del líquido en condiciones del separador.  Debido a que los comparadores de espuma operan en la presión atmosférica, no pueden tomar esto en cuenta.

En algunos casos, el efecto de la temperatura puede ser espectacular, un factor que frecuentemente es omitido durante el diseño para condiciones de espuma.  La influencia de este efecto puede ser evaluada con el uso de un comparador de espuma.

Depresivos de espuma frecuentemente pueden incrementar la capacidad de un separador.  Sin embargo, al seleccionar el tamaño de un separador para manejar un petróleo crudo en particular, no se debe presumir que se utilizará un depresivo porque las características del crudo y de la espuma pueden cambiar durante la vida de cualquier campo. 

Parafina

La operación del separador puede ser adversamente afectado por la acumulación de parafina.  Las placas de fundición en la sección de líquidos y los extractores de neblina de las almohadillas de malla en la sección de gas son particularmente propensas a taparse con parafina.  Si la parafina es in problema real o potencial, se debe tomar en consideración el uso de un extractor de neblina de placa o centrífugo.  Se debe proveer manways, registros de mano y boquillas para permitir el uso de vapor, solventes u otros elementos de limpieza de los elementos internos del separador.

La arena puede ser un problema en los separadores porque corta la guarnición de las válvulas, tapa los elementos internos del separador, y se acumula en el fondo de los recipientes.  Una guarnición dura especial puede minimizar los efectos de la arena en las válvulas.  Las acumulaciones pueden ser aliviadas con el uso de fondos en forma de cono (para recipientes verticales), chorros de arena y desagües, como anteriormente discutimos.

Durante el diseño se debe tomar en consideración que los elementos internos se pueden tapar.  Un diseño que provee buena separación y un mínimo de trampas para la acumulación de arena puede ser difícil de obtener.  Un diseño que provee el mejor mecanismo para la separación de las fases de gas, petróleo y agua probablemente también proveerá áreas para la acumulación de arena.  Un equilibrio práctico de estos factores es la mejor solución.

Las emulsiones pueden ser un problema en particular.  A lo largo del tiempo los materiales emulsificados y / u otras impurezas generalmente se acumulan en la interfaz de agua / petróleo.  Además de afectar adversamente el control del nivel de líquidos, esto también disminuye el tiempo de retención efectivo de petróleo o agua en el separador, y resulta en la reducción de la eficiencia de separación de agua / petróleo.  La adición de químicos y / o calor puede minimizar esta dificultad. Frecuentemente, es posible bajar apreciablemente el tiempo de asentamiento necesario para la separación de agua / petróleo con una aplicación de calor en la sección de líquidos del separador o con la adición de químicos anti-emulsificantes.

Excesos y soplos son problemas muy comunes de la operación.  El exceso que ocurre cuando un líquido libre se escapa en la fase de gas, puede indicar un nivel alto de líquido, daños a los elementos internos del recipiente, espuma, un diseño inapropiado, salidas de líquido tapadas, o que se ha excedido la capacidad de diseño del recipiente.  El soplo, que ocurre cuando un gas libre se escapa en la fase líquida, puede indicar un bajo nivel de líquido, una vórtice, o la falta de controlar el nivel.

TEORÍA


Separación de gas.

 Los conceptos y las ecuaciones para la separación de dos fases, descritos en el artículo del mes anterior, son igualmente válidos para la separación de tres fases.

Asentamiento de agua / petróleo

El flujo alrededor de las gotas de petróleo que se asientan en el agua o las gotas de agua en el petróleo es laminar, según rige la ley de Stokes.  La velocidad terminal de la gota es:

                Vt  =  [1,78  x  10-6(DSG)dm2]/mc                                                                                                                                                                                    (1)

Donde:

                Vt  = Velocidad, fps
                DSG  =  Diferencia en gravedad específica relativo al agua entre las fases de agua y petróleo
                dm  =  Tamaño de la gota, micras
                mc  =  Viscosidad de la fase continua, cp

Tamaño de la gota de agua en el petróleo.

 Es difícil predecir el tamaño de la gota de agua que debe asentarse de la fase de petróleo para coincidir con una definición general de “petróleo libre”.  Salvo que estén disponibles los datos de un laboratorio o campo cercano, el tamaño él la almohadilla de petróleo [fila 1, columna 2, página 92 del documento original – cortado] para que se cumplan con los criterios, la emulsión a ser tratada por el equipo corriente abajo deberá contener menos del 5% al 10% de agua sin un programa de tratamiento químico excesivo.

Tamaño de la gota de petróleo en el agua

De la ecuación 1 se puede notar que la separación de las gotas de petróleo del agua es más fácil que la separación de las gotas de agua del petróleo.  El propósito principal de la separación de tres fases es preparar el petróleo para mayor tratamiento.  La experiencia en el campo indica que se puede anticipar que el contenido de petróleo en el agua producido de un separador de tres fases, de un tamaño seleccionado par remover agua del petróleo, será de entre varios cientos a 2.000mg/l.  Esta agua requerirá de mayor tratamiento y esto se discutirá en otra sección.  La selección de un tamaño para la remoción de gotas de petróleo de la fase de agua no parece ser un criterio significativo.

Tiempo de retención

Se requiere de una cierta cantidad de almacenamiento de petróleo en el recipiente para asegurar que el petróleo llegue a equilibrarse y que el gas deflagrado se libere.  Se requiere de almacenamiento adicional para asegurar que el agua libre tenga tiempo de fundirse en gotas de tamaños suficientes para caer de acuerdo a la ecuación 1.  Es común utilizar tiempos de retención de entre 3 y 30 minutos dependiendo de los datos del laboratorio o del campo.  Si esta información no está disponible, se sugiere un tiempo de retención del petróleo de 10 minutos para el diseño.

De manera similar, se requiere del almacenamiento de ciertas cantidades de agua para asegurar que la mayoría de las gotas del petróleo arrastrado en el agua tengan suficiente tiempo para fundirse y subir del interfaz de petróleo / agua.  Los tiempos de retención para la fase de agua tienen un rango de entre 3 y 30 minutos, nuevamente dependiendo de los datos de laboratorio o campo.  Si esta información no está disponible, se recomienda un tiempo de retención de 10 minutos para el agua.

Se debe calcular el tiempo de retención para la tasa máxima de petróleo tanto como para la tasa máxima de agua, salvo que los datos del laboratorio indiquen que no es necesario utilizar este enfoque de diseño conservador.

SELECCIONANDO EL TAMAÑO DE UN SEPARADOR


Las directrices a continuación pueden ser utilizadas para las determinaciones iniciales de tamaños.  El objetivo es que complementen y no reemplacen la experiencia operativa.  Se debe determinar del tipo y el tamaño de un separador caso por caso.  Se debe tomar en cuenta todas la funciones y los requerimientos incluyendo incertidumbres potenciales en las tasas de flujo y las propiedades de diseño.  Por esta razón, no existe ningún sustituto para las buenas evaluaciones de cada separador por un ingeniero de diseño.  El “intercambio” entre el tamaño de diseño y los detalles e incertidumbres en los parámetros de diseño, no deberá depender de las recomendaciones del fabricante o reglas generales.

Separadores horizontales.

Para seleccionar el tamaño, es necesario especificar el diámetro del recipiente y el largo de costura a costura del recipiente.  Consideraciones sobre la capacidad de gas y el tiempo de retención establecen ciertas combinaciones aceptables en diámetro y largo.  La necesidad de asentar gotas de agua de 500 micras del petróleo establece un diámetro máximo.

Las limitaciones en la capacidad de gas proveen la siguiente formula, discutida en el previo capítulo sobre separadores de dos fases:


                DiLeff  = 42K(ToQg/P)                                                                                                                                         (2)

Donde:    Di  =  ID del recipiente, en pulgadas
Leff  =  Largo efectivo del recipiente, en pies, @ 0,75 Ls-s (el largo de costura a costura del recipiente)
To  =  Temperatura operativa, ºR
Qg  =  Tasa de flujo del gas, MMscfd
Po  =  Presión operativa, psia.
K   =  una constante basada en las propiedades de gas y líquido discutidas en el previo artículo sobre                               separadores de dos fases

Limitaciones en el tiempo de retención llevan a otra ecuación que provee combinaciones aceptables de Di y Leff.


                Di Leff  =  1,42[(Qw)(Tr)w  +  (Qo)(Tr)o]                                                                                                              (3)

Donde:

                Qw  =  Tasa de flujo del agua, bpd
                (Tr)w  =  Tiempo de retención del agua, minutos
                Qo  =  Tasa de flujo del petróleo., bpc
                (Tr)o  =  Tiempo de retención del petróleo, minutos

Ecuación de asentamiento.  El requerimiento que las gotas de agua de 500 micras sean capaces de asentarse de la almohadilla de petróleo establece un diámetro máximo del separador de acuerdo al siguiente procedimiento:

·                     Calcule (ho)max:

(h)max  =  320(Tr)o(DSG)/mo                                                                                                                                                  (4)

                Donde

                               (ho)max  =  Grosor máximo permisible del almohadilla de petróleo, pulgadas
                               DSG  =  Diferencia en gravedad específica relativa al agua de las fases de petróleo y agua
                               mo  =  Viscosidad del petróleo, cp

·                     Calcule la fracción del área de corte transversal del recipiente ocupada por la fase de agua:

Aw/A  =  0,5Qw(Tr)w/[Qo(Tr)o  +  Qw(Tr)w]                                                                                         (5)

·                     Determine la coeficiente Z de la Fig. 6

·                     Calcule (Di)max:

(Di)max  =  (ho)max/Z                                                                                                                             (6)

                Cualquier combinación de Di y Leff que satisfaga las ecuaciones 2,3, y 6 cumplirá con los criterios necesarios.

Separadores verticales.

 Como es con los separadores de dos fases, se debe mantener un diámetro mínimo para asegurar una capacidad de gas adecuada.  Los separadores verticales de tres fases también deben mantener un diámetro mínimo para permitir que las gotas de 500 micras se asienten.  La altura del separador de tres fases se determina de las consideraciones del tiempo de retención.

Las limitaciones a la capacidad de gas llevan a la siguiente formula discutida en el artículo de noviembre sobre separadores de dos fases:

                               (Di)2min  =  500K/TQg/Po)                                                                                                                    (7)

Asentamiento:

                               (Di)2min  =  0,027(Qomo/SG)                                                                                                 (8)

Tiempo de retención:

                               ho  =  (Tr).Qo/0,12Di2                                                                                                                           (9)

                                ho  =  (Tr)wQw/0,12Di2                                                                                                                                                                                      (10)

Donde:

                               ho  =  Altura de la almohadilla de petróleo, pulgadas
                               hw =  Altura desde la salida de agua al interfaz, pulg.  Esta altura debe ser ajustada para                                                    recipientes con fondos en forma de cono.

Como en el caso de un separador vertical de dos fases, el largo de costura a costura (Ls-s) puede ser aproximadamente calculado de la geometría una vez que se hayan escogido el ho y el hw.  Para propósitos de investigación se puede presumir que:
                               Ls-s  =  (ho  +  hw  +  76)/12                                                                                                  (11)

Cualquier Di mayor al calculado con las ecuaciones 7 y 8 y que satisfaga la 9 y la 10 es aceptable.

Ejemplos

Seleccionando el tamaño de un separador vertical de tres fases.

Dado que:

                Qo  =  5.000 bopd
                Qw  =  3.000 bwpd
                Qg  =  5 MMscfd
                Po  =  100 psig
                To  =  90ºF
                Petróleo  =  30º API
                SG de agua  =  1,07
                SG de gas  =  0,6
                (Tr)o  =  (Tr)w  =  10 min.
                Viscosidad  =  10 cp

Solución:

·                     Calcule la diferencia en gravedades específicas:

ºAPI  =  [141,5/(SG)o]  -  131,5
(SG)o  =  141,5/(30  +  131,5)
                          =  0,876
                DSG  =  1,07  -  0,876  =  0,194

·                     Calcule el diámetro mínimo para satisfacer la limitación en capacidad de gas (Vea el artículo de noviembre para el procedimiento para un separador de dos fases):

(Di)min  =  12,8 pulg.

·                     Calcule el diámetro mínimo para el asentamiento de gotas de agua:

(Di)2min  =  0,027  Qom/DSG
                                =  0,027(5.000)(10)/0,194
(Di)2min  =  83,4 pulg.

·                     Limitación de retención de líquidos:

ho  =  (Tr)o(Qo)/0,12Di2
hw  =  (Tr)w(Qw)/0,12Di2
ho  +  hw  =  10(Qo  +  Qw)/0,12 Di2
·                     Calcule las combinaciones de Di y ho + hw para diámetros mayores a Dmin, Tabla 1:

TABLA 1
Capacidad del separador vertical de tres fases, diámetro vs. largo para la limitación en tiempo de retención

(Tr)o  =  (Tr)w  =  10 min

D, pulg.
Ho + hw, pulg.
Ls-s, pies
12Ls-s/Di




84
94.4
14.2
2.02
90
82.3
13.2
1.76
96
72.3
12.4
1.54
102
64.1
11.6
1.37

·                     Calcule el largo de costura a costura, Tabla 1:

Ls-s  =  (ho)  +  hw  +  76)/12

·                     Calcule la relación de delgadez (12 Ls-s/Di).  Selecciones dentro del rango de 1,5 a 3 son comunes, Tabla 1:

Si es necesario, repita los pasos 6 a 10 para varios tiempos de retención y el gráfico como se hizo con los separadores de dos fases.

·                     Seleccione un tamaño razonable.  Recipientes de 90 pulg x 15 pies o 96 pulg. X 12 pies, 6 pulg. pueden ser selecciones razonables.

Seleccionando el tamaño de un separador horizontal de tres fases


Dado que:

                Qo  =  5.000 bpd
                Qw  =  3.000 bwpd
                Qg  =  5 MMscfd
                P  =  100 psig
                T  =  90ºF
                Petróleo  =  30ºAPI
                SG Agua  =  1,07
                SG Gas  =  0,6
                (Tr)o  =  (Tr)w  =  10 min.
                Viscosidad  =  10 cp

Solución:

·                     Calcule la diferencia en gravedades específicas:

ºAPI  =  [141,5/(SG)o]  -  131,5
(SG)o  =  141,5/(30  -  131,5)
DSG  =  1.07  -  0,876  =  0,194

·                     Revise por separación de gas (vea el artículo de noviembre sobre separadores de dos fases para el procedimiento):

DiLeff  =  143

·                     Calcule las combinaciones de Di y Leff para la separación de gas, Tabla 2:

TABLA 2

Separador horizontal de tres fases, diámetro vs. largo para la limitación de capacidad de gas


Di, pulg.
Leff, pies
L, pies
60
2.4
3.2
72
1.9
2.6
84
1.7
2.3
96
1.5
2.0

Por lo tanto, la capacidad de gas probablemente no rige.

·                     Calcule el grosor mínimo del almohadilla de petróleo:

(ho)max  =  320(Tr)o(DSG)/mo
                               =  320(10)(0,194)/10
                               =  62,1 pulg.

·                     Calcule el diámetro máximo para la limitación en el grosor del almohadilla de petróleo:

Aw/A  =  0,5Qw(Tr)w/[Qo(Tr))o  +  Qw(Tr)w]
                               =  0,5(3.000)(10)/[(5.000)(10)  +  (3.000)(10)]
                               =  0,1875

De la figura 6, para Aw/A  =  0,1875
                                    Z        =  0,257
                                  (Di)max  =  (ho)max/Z  =  62,10/0,257
                                               =  241,6 pulg.

·                     Limitación de retención de líquidos:

(Di)2Leff  =  1,42[Qw(Tr)w  +  Qo(Tr)o] =  (1,42)(10)(8,000) =  133.600

·                     Calcule las combinaciones de Di y Leff, Tabla 3:

TABLA 3

Separador horizontal de tres fases, diámetro vs. largo para limitación de tiempo de retención de líquidos


(Tr)o  =  (Tr)w  =  10 min.
D, pulg.
Leff, pulg.
Ls-s, pies
12Ls-s/Di
60
31.6
42.1
8.4
72
21.9
29.2
4.9
84
16.1
21.5
3.1
96
12.3
16.4
2.1
108
9.7
13.0
1.4

·                     Calcule el largo de costura a costura, Tabla 3:
Ls-s  =  Leff/0,75
·                     Calcule la relación de delgadez (12Ls-s/Di).  Selecciones en el rango de 3 a 5 son comunes.



Trace los resultados en un gráfico y escoja un tamaño razonable que no viole las limitaciones de capacidad de gas o de grosor del almohadilla de petróleo.  Selecciones posibles de la Fig. 7 son 90 pulg. x 20 pies, 96 pulg. x 17 pies, y 102 pulg. x 15 pies.



Figura 7

Separator diameter = diámetro del separador
Liquid retention constraint = limitación de retención de líquidos
Notes:...  =  Anotaciones:  (1)  La capacidad de gas no rige  (2)  Grosor del almohadilla de petróleo no rige


Fig. 7 – Gráfico del diámetro de un separador vs. el largo de costura a costura de la Tabla 3 para la limitación en tiempo de retención de líquidos, que rige la selección del tamaño del recipiente.  Tres diferentes tamaños de recipiente son aplicables como soluciones para el problema ejemplar.


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