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  • Angelica Alcántara

Separación bifásica y trifásica


I. INTRODUCCIÓN


Generalmente, el comportamiento del flujo obtenido de los yacimientos es de naturaleza multifásica, por lo cual, entre las operaciones esenciales en una instalación petrolera se encuentra la separación física de estas fases. En casi todos los casos, los fluidos que se producen son mezclas complejas de hidrocarburos, agua, contaminantes, y otras partículas, que durante su recorrido yacimiento-superficie, disminuyen su presión y temperatura, trayendo como resultado, el aumento del gas liberado de los hidrocarburos líquidos. En este sentido, los patrones de flujo pueden variar desde uno monofásico líquido, pasando por otras etapas multifásicas, y en algunas ocasiones puede llegar a ser completamente gaseoso. El principal objetivo de un proceso de separación, consiste en disgregar los componentes y contaminantes, con la finalidad de optimizar el proceso de comercialización del petróleo, partiendo de un diseño óptimo de los sistemas involucrados en la separación.


El procesamiento de hidrocarburos, comúnmente, es llevado a cabo mediante equipos de separación bifásicos que permiten la separación de las fases gas y líquido, o a través de equipos trifásicos (separación gas, crudo y agua), bien sea horizontal o vertical. Esta etapa de procesamiento es indispensable en la industria, ya que, permite la disminución de problemas como la corrosión, la formación de condensados a la entrada de los compresores, presencia de burbujas en la succión de las bombas de hidrocarburos, bloqueo de válvulas por formación de hidratos, entre otras complicaciones, causadas por la presencia de agua. De igual manera, intervienen en la disminución de los costos por bombeo, ya que, las corrientes a dos fases suelen incrementar la caída de presión, en tuberías de líquidos. Además, se puede obtener la materia prima, es decir, gas y crudo, que una vez procesados, se convierten en productos de mayor valor, y para ello es más sencillo y económico procesar las corrientes de agua, gas y crudo por separado.


Figura 1. Cadena de proceso de los productos de separación


La instalación de un separador, normalmente representa la primera facilidad de todo el procesamiento del fluido. De esta manera, que cualquier error en el diseño del separador, puede ocasionar una disminución en la capacidad de operación de todas las partes asociadas con el separador.

El diseño de un separador líquido-gas cuenta con dos secciones básicas. En esencia, el gas circula hacia la sección superior, mientras las gotas de líquido se depositan en la parte inferior. Esta sección de igual manera, contribuye a que las gotas de gas envueltas en el líquido, emerjan hacia la fase gaseosa. El tamaño adecuado del cilindro, proporcionará el espacio conveniente en cada sección, para permitir el funcionamiento eficiente del mismo. En cuanto a la selección entre un separador vertical u horizontal, debe hacerse mediante un estudio previo ya que depende de varios factores, incluyendo el económico y de espaciamiento.



II. PRINCIPIOS BÁSICOS DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS SEPARADORES


• Equilibrio de fases gas-líquido


Determinar el diseño adecuado de un separador, inicia a partir de un estudio exhaustivo de todas las propiedades de los fluidos que ingresarán al mismo (densidad, gravedad específica, gravedad API, viscosidad, tensión superficial), así como el equilibrio de las fases participantes (gases/vapores y líquidos), ya que de ello depende el grado de separación necesario. La manera conveniente de determinar el comportamiento y composición de una mezcla, se realiza a través de mediciones experimentales, a diferentes condiciones de presión y temperatura.


La condición de equilibrio en mezclas gas-líquido se logra cuando la velocidad de las partículas en fase gaseosa llega a ser igual a la velocidad de vaporización de las partículas en la superficie del líquido. Dicha mezcla puede lograr el punto de separación cuando se alcanza la condición de equilibrio a determinado valor de presión y temperatura. Establecer estas condiciones, en la práctica, y alcanzar una combinación exacta de valores de presión y temperatura para el manejo operacional del equipo de separación es imposible, sin embargo, al definir las condiciones requeridas, se pretende operar el equipo a las condiciones más cercanas al equilibrio buscado.


El análisis de estos sistemas parte del diagrama de fases, el cual, puede ser obtenido a partir de datos de correlaciones experimentales y las variables que normalmente se encuentran involucradas en el equilibrio de las fases.

El diagrama de fases permite determinar el comportamiento de un fluido con respecto a la presión y temperatura de un yacimiento. Este estudio se encuentra dividido en dos procesos: uno cualitativo y otro cuantitativo. El primer caso se apoya en los diferentes diagramas presión-temperatura, presión-volumen, composición y en el segundo caso, se desarrollan fórmulas y métodos para el cálculo de la composición y cantidades de fases del sistema a una presión y temperatura dada, lo cual permitirá determinar el dimensionamiento del equipo de separación.


Figura 2. Diagrama de fases


Cada tipo de fluido de un yacimiento presenta un diagrama de fases característico (petróleo negro, petróleo volátil, gas retrógrado, gas húmedo, gas seco), la composición de la corriente, es la variable que determina las propiedades de cada una de las fases que serán separadas, y en cualquier caso, es necesario un análisis de laboratorio que determine el tipo de fluido, conocer la RGP (relación gas petróleo), la gravedad del fluido, característica física del fluido, los resultados obtenidos del PVT, análisis cromatográficos, curvas de destilación y las condiciones iniciales de presión y temperatura.



• Patrón de flujo


Otro punto de gran importancia durante el diseño de separadores, es el conocimiento de los patrones de flujo que se manejarán en la corriente de alimentación del equipo de separación. Ello dependerá principalmente de la velocidad con la que se mueve cada una de las fases, sus propiedades, y características de la tubería (longitud, diámetro, posición, inclinación). Para establecer las consideraciones de diseño con respecto al flujo, existen diferentes correlaciones y mapas de flujo, que permiten predecir el patrón de flujo predominante en mezclas gas-líquido en movimiento.


Tabla 1. Tipos de patrón de flujo horizontal. Segregados o separados


Tabla 2. Tipos de patrón de flujo horizontal. Intermitente


Tabla 3. Tipos de patrón de flujo horizontal. Distribuidos


Tabla 4. Tipos de patrón de flujo vertical. Segregados


Tabla 5. Tipos de patrón de flujo vertical. Intermitentes


Tabla 6. Tipos de patrón de flujo vertical. Distribuidos



• Separación mecánica de fases


La separación mecánica, es llevada a cabo cuando dos o más fases coexisten en determinadas condiciones de presión y temperatura, a través de principios físicos como:



Toda separación puede utilizar uno o más de estos principios, sin embargo, las fases a separar, deben ser inmiscibles entre sí y con diferente densidad para que pueda ocurrir.

  • La separación por efecto de la fuerza de gravedad, es uno de los mecanismos más utilizados, ya que el equipo que se requiere es bastante simple. Se basa en el descenso de partículas de líquido en contra flujo del gas, en una sección ampliada de una línea de flujo. En donde las partículas de líquido caen por acción de la gravedad, se aceleran hasta que exista un balance entre la fuerza de arrastre y la gravitacional, para luego continuar su descenso a una velocidad constante (velocidad de asentamiento o final).

  • La coalescencia se refiere al mecanismo en el cual, las partículas de líquido que fluyen junto con el gas chocan en obstrucciones donde quedan alojadas. Se emplea comúnmente en presencia de partículas muy pequeñas de líquido suspendidas en una corriente, separadas por efecto de la aceleración de la gravedad, una vez que las partículas coalescen o se unen formando partículas de mayor tamaño. La separación por coalescencia es manejada principalmente en extractores de niebla, tipo veleta y en los de malla de alambre entretejido.

  • La inercia se refiere al mecanismo que actúa debido a la diferencia de densidades entre dos fases, como consecuencia de un cambio de dirección en la corriente, es decir, la fase menos densa cambia su dirección sin mayor problema mientras la más densa mantiene la misma dirección, por lo tanto, se lleva a cabo la separación debido al impacto de la fase más densa con una superficie (placa o alambre).

  • El impacto se refiere a fuerzas adicionales de dispositivos conocidos (como eliminadores de niebla), en casos donde las partículas son extremadamente pequeñas y no basta con el asentamiento por gravedad para que pueda ocurrir una separación.



III. FACTORES QUE AFECTAN LA SEPARACIÓN


Dependiendo de las características de la corriente, el diseño y la operación de un separador se verán afectados, por lo cual, es necesario determinar, los siguientes factores:




IV. SECCIONES BÁSICAS DE UN EQUIPO DE SEPARACIÓN


Tabla 7. Secciones básicas de un equipo de separación




V. DISPOSITIVOS BÁSICOS DEL SEPARADOR


Tabla 8. Dispositivos internos básicos del separador


Tabla 9. Accesorios externos básicos del separador



VI. CLASIFICACIÓN DE LOS SEPARADORES


Figura 3. Clasificación de los separadores


  • Separadores verticales: comúnmente son utilizados en corrientes con relación gas-líquido alta, como, por ejemplo, es gases prácticamente secos o con una mínima cantidad de líquidos en forma de niebla. También se emplean en presencia de solidos en la corriente, por lo que algunos diseños incluyen un cono para el control de arenas y lodos.

  • Separadores horizontales: suelen operar con la mitad del volumen ocupado por los líquidos separados, permitiendo así, mantener el tamaño de la superficie de interfase gas-líquido al máximo.

  • Separadores esféricos (Bifásicos): no son comúnmente utilizados, fueron diseñados con el propósito de aprovechar su tamaño compacto, sin embargo, son equipos de difícil operación, la separación no es óptima, y su manufactura es complicada.


Tabla 10. Ventajas y desventajas los separadores según su configuración



VII. TEORÍA DE DISEÑO


  • Asentamiento: La fuerza de asentamiento puede ser calculada a través de la siguiente ecuación

En el caso de que el flujo alrededor de la partícula fuera laminar, entonces a través de la ley de Stokes se puede calcular el coeficiente de arrastre mediante la siguiente ecuación:


Para el caso de cálculo de la velocidad de asentamiento en un gas se puede calcular de la siguiente forma:



  • Coeficiente de arrastre: para llevar a cabo el cálculo de este valor se sigue el siguiente procedimiento.


1. Se asume un valor inicial de CD generalmente 0.34.

2. Se calcula la velocidad terminal Vt con la ecuación:


3. Se calcula el número de Reynolds de la ecuación:


4. Se calcula CD con la ecuación:


5. Se regresa al paso 2 y se itera has encontrar convergencia.



  • Tamaño de la partícula: Para llevar a cabo las ecuaciones de asentamiento en el diseño de separadores, es importante seleccionar un tamaño de partícula, con la finalidad de asegurar que no habrá taponamiento en los extractores de niebla. Según la práctica, para que ello no suceda, se asume un tamaño de partícula de máximo 140 micrones, y así cumplir su función de retirar partículas entre 10 y 140 micrones.


  • Tiempo de retención: Este tiempo se refiere al volumen de líquido almacenado en el tanque entre la tasa de flujo del líquido. Es decir, el tiempo que se necesita para asegurar que el gas y el líquido alcancen el equilibrio a la presión del separador, a partir de cierta cantidad de líquido.

Tabla 11. Tiempo de retención en separadores Bifásicos. (Ken Arnold)


Generalmente se puede considerar un tiempo suficiente de retención entre 30s a 3min. En los casos donde existe presencia de espuma, este tiempo puede incrementar hasta 4 veces. Si no se tiene ninguna información de laboratorio se pueden utilizar los valores de la Tabla 11.


  • Razón de esbeltez: Se define como el cociente entre la longitud y el radio del separador. En el caso de un separador con un diámetro muy pequeño, aumenta la posibilidad de generar reingreso de líquido en la fase gaseosa. En la práctica se recomienda una razón de esbeltez entre 3 y 4.



VIII. EQUIPO DE SEPARACIÓN BIFÁSICO


Los equipos de separación bifásica, son recipientes diseñados con el objetivo de separar el gas y líquido inmiscible, dejando lo más libre posible el gas del petróleo y viceversa, a condiciones de presión y temperatura definidas. Dichos equipos pueden manejar varias configuraciones, (horizontales, verticales o esféricas).


Separador bifásico horizontal: Una vez que el líquido entra al separador ocurre la separación inicial del líquido y vapor, a través del choque con el deflector interno. Gracias a la fuerza de gravedad las partículas de líquido se dejan caer en el fondo y el gas se eleva hacia el domo del tanque. La recolección de líquido en el fondo provee un tiempo de retención, ayudando a que los gases y líquidos se encuentren en equilibrio a una presión.


Figura 4. Separador bifásico horizontal


El diseño de un separador bifásico horizontal puede realizarse a través del siguiente procedimiento, asumiendo un llenado del 50%:


1. Calcular la densidad del gas:

2. Calcular la gravedad específica del aceite:

3. Calcular la densidad del aceite:

4. Calcular BSW:

5. Calcular la densidad del líquido:

6. Calcular el coeficiente de arrastre CD.


7. Calcular la capacidad para gas:

8. Calcular la capacidad para el líquido:

9. Se selecciona la mayor capacidad


10. Para cada valor de diámetro de 6 en 6 desde 24in se calcula el Leff (longitud efectiva del recipiente)


11. Para cada valor de Leff se calcula el Lss (longitud costura a costura del recipiente)

  • Si se escogió la capacidad para el gas:

  • Si se escogió la capacidad para el líquido:

12. Se calcula la razón de esbeltez para cada diámetro con la ecuación:

13. Se escoge el menor diámetro correspondiente a una razón de esbeltez entre 3 y 4.



Separador bifásico vertical: Presenta la misma configuración de un separador bifásico horizontal, con la diferencia, que este, es utilizado en casos donde durante el tratamiento de hidrocarburos, existe mayor cantidad de gas que de aceite.


Figura 5. Separador bifásico vertical


El diseño de un separador bifásico vertical puede realizarse a través del siguiente procedimiento:


1. Calcular los siguientes parámetros: densidad del gas, gravedad específica del aceite, densidad del aceite, BSW, densidad del líquido, y el coeficiente de arrastre utilizando las fórmulas anteriormente descritas.


2. Calcular el diámetro mínimo:

3. Calcular la capacidad al líquido:

4. Calcular la altura correspondiente a cada diámetro, variando de 6 en 6 a partir de 24in.


5. Calcular la longitud Lss (longitud costura a costura del recipiente)

  • Si d < 36in:

  • Si d > 36in:

6. Calcular la razón de esbeltez:

7. Escoger el menor diámetro que corresponda con una esbeltez entre 3 y 4.



IX. EQUIPO DE SEPARACIÓN TRIFÁSICO


Los separadores trifásicos se utilizan generalmente para la separación de las tres fases: aceite agua y gas. Son clasificados en dos categorías según su geometría horizontales y verticales. Estos separadores cuentan con las mismas 4 secciones que los separadores bifásicos, sin embargo, una de las diferencias encontradas entre estos dos tipos se encuentra en la entrada, ya que lo deflectores utilizados en los trifásicos poseen un distribuidor que dirige el flujo de líquido debajo de la interfase crudo/agua, promoviendo de esta manera la coalescencia de las gotas de agua en el crudo (lavado de agua).


En la zona de recolección de líquidos, es donde ocurre la separación de las fases y, se caracteriza por la presencia de dos elementos importante el cesto y los vertederos (rebosadero), gracias a su diferencia de altura cumplen la función de controlar el nivel de líquido en el separador, mediante el paso de crudo por diferencia de densidades.


Separador trifásico horizontal: Una vez que la mezcla ingresa al separador, esta choca con el deflector llevando a cabo rápida y eficientemente la separación. En la sección del colector, se genera tiempo suficiente para que el aceite y el agua se separen por gravedad, dado a que el peso del agua libre es mayor, ésta se posiciona en el fondo del tanque. El vertedero ayuda a mantener el nivel de aceite y agua, junto con las válvulas de control, las cuales se cierran y abren para mantener el nivel operacional adecuado. En cuanto al gas, este se dirige hacia el extractor de niebla, restringiendo el paso de partículas de agua.


Figura 6. Separador trifásico horizontal


El procedimiento recomendado para el diseño de un separador trifásico horizontal, con un porcentaje de llenado = 50% se basa en los siguientes pasos:


1. Determinar densidades, el coeficiente de arrastre y capacidad del gas.


2. Calcular el espesor máximo de la capa de crudo:

3. Calcular la fracción A ocupada por agua:

4. Identificar gráficamente la constante de diseño β

5. Calcular el diámetro máximo del separador:

6. Calcular la capacidad al líquido

7. Calcular la longitud efectiva para cada diámetro y elegir la mayor entre gas y líquido.


8. Calcular la longitud Lss (longitud costura a costura del recipiente)

  • Si d < 36in:

  • Si d > 36in:

9. Calcular la razón de esbeltez:

10. Escoger el menor diámetro que corresponda con una esbeltez entre 3 y 5.



Separador trifásico vertical: Presenta el mismo principio operacional que el separador trifásico horizontal.

Figura 6. Separador trifásico vertical


El procedimiento para el diseño de este tipo de separador puede realizarse mediante las siguientes ecuaciones:


1. Determinar densidades, el coeficiente de arrastre y capacidad del gas.


2. Calcular el diámetro mínimo:

3. Calcular la capacidad del líquido:

4. Calcular el diámetro mínimo del separador:

5. Escoger el mayor de los 3 diámetros


6. Establecer la altura de la capa de líquido para cada diámetro:

7. Calcular la longitud Lss (longitud costura a costura del recipiente)

  • Si d < 36in:

  • Si d > 36in:

8. Calcular la razón de esbeltez:


9. Escoger el menor diámetro que corresponda con una esbeltez entre 1.5 y 3.



BIBLIOGRAFÍA


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