Separadores de hidrocarburos

Marzo 2010

Contenido
Definición
Principios de separación
Descripción de un separador
Funciones de un separador
Clasificación de los separadores
Descripción de los internos de un separador
Separadores Verticales Vs. Separadores Horizontales
Problemas operacionales que presentan los separadores
Diseño de los separadores

Separadores Definición. Es un cilindro de acero que por lo general se utiliza en los procesos de producción, procesamiento

y

tratamiento

de

los

hidrocarburos para disgregar la mezcla en sus componentes básicos, petróleo y gas. Adicionalmente, el recipiente permite aislar los hidrocarburos de otros componentes indeseables como la arena y el agua. Separadores

Principios de Separación Fuerzas de Gravedad En los campos petroleros los efectos de separación más usados son:

Fuerza Centrífuga Cambios en la Cantidad de Movimientos Fuerzas Electrostática.

Absorción Adsorción En el procesamiento de gas los efectos más usados son:

Fuerzas de Gravedad Fuerzas Centrífugas Filtración Cambios en la Cantidad de Movimiento

Principios de Separación
Fuerza de Gravedad Las gotas de líquido se separan de la fase gaseosa, cuando la fuerza gravitacional que actúa sobre las gotas de líquido es mayor que la fuerza de arrastre del fluido de gas sobre la gota.

Separador vertical FKW

Principios de Separación
Fuerza Centrífuga El separador centrífugo funciona mediante el efecto de la fuerza centrífuga. El agua contaminada con sólidos e hidrocarburos/aceites se inyecta tangencialmente a lo largo de la circunferencia del estanque cilindro-cónico para permitir la separación de las partículas pesadas. El aceite libre es retirado de la superficie del estanque y se almacena en el acumulador de hidrocarburo. Las partículas que pueden precipitar sedimentan al fondo del estanque, desde aquí son drenadas a un filtro de bolsa de fácil reemplazo. Opcionalmente se puede incluir inyección de ozono, control de pH, aplicación de agentes coagulantes/floculantes con el objeto de aumentar la flotación de aceites y la precipitación de sólidos.

Principios de Separación
Cambios en la Cantidad de Movimientos (Momentum Lineal ) Los fluidos con diferentes densidades tienen diferentes momentum. Si una corriente de dos fases se cambia bruscamente de dirección, el fuerte momentum o la gran velocidad adquirida por las fases, no permiten que la partículas de la fase pesada se muevan tan rápidamente como las de la fase liviana, este fenómeno provoca la separación.

Principios de Separación
Fuerzas Electrostáticas Consiste en someter la emulsión a un campo eléctrico intenso, generado por la aplicación de un alto voltaje entre dos electrodos. La aplicación del campo eléctrico sobre la emulsión induce a la formación de dipolos eléctricos en las gotas de agua, lo que origina una atracción entre ellas, incrementando su contacto y su posterior coalescencia. Como efecto final se obtiene un aumento del tamaño de las gotas, lo que permite la sedimentación por gravedad.

Movimiento de una gota de agua entre dos electrodos de polaridad dual.

Deshidratador Electrostático

Principios de Separación
Coalescencia Las gotas muy pequeñas no pueden ser separadas por gravedad. Estas gotas se unen por medio del fenómeno de coalescencia, para formar gotas mayores, las cuales se acercan lo suficientemente como para superar las tensiones superficiales individuales y poder de esta forma separarse por gravedad.

Separación por coalescencia

Principios de Separación
Absorción Este es uno de los procesos de mayor utilidad en la industria del gas natural. El proceso consiste en remover el vapor de agua de la corriente de gas natural, por medio de un contacto líquido. El líquido que sirve como superficie absorbente debe cumplir con una serie de condiciones, como por ejemplo: • Alta afinidad con el vapor de agua y ser de bajo costo, • Poseer estabilidad hacia los componentes del gas y bajo perfil corrosivo • Estabilidad para regeneración • Viscosidad baja • Baja presión de vapor a la temperatura de contacto, • Baja solubilidad con las fracciones líquidas del gas natural • Baja tendencia a la formación de emulsiones y producción de espumas. Los glicoles y el metano son los líquidos de mayor uso en la deshidratación del gas natural. El metanol, como agente deshidratantes es de alto costo.

Principios de Separación
Adsorción La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de gas en su superficie tras entrar en contacto con éste. Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alumina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación. La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.

Descripción de un Separador Un separador consta de las siguientes secciones :

Descripción de un Separador Un separador consta de las siguientes secciones : Separación primaria Comprende la entrada de la mezcla crudo-agua-gas. La separación en esta sección se realiza mediante un cambio de dirección de flujo. El cambio en la cantidad de movimiento de las fases a la entrada del separador genera la separación gruesa de las fases. Esta zona incluye las boquillas de entrada y los ditamentos de entrada, tales como deflectores ó distribuidores.

El deflector separa el petróleo y el gas al forzar cambios en dirección y velocidad en la corriente de flujo. El ingreso ciclón logra el mismo resultado con la fuerza centrifuga

Descripción de un Separador Separación secundaria Está representada por la etapa de separación máxima de líquido por efecto de gravedad. En esta sección las gotas se separan principalmente por la gravedad por lo que la turbulencia del flujo debe ser mínima. Para esto, el separador debe tener suficiente longitud. En algunos diseños se utilizan veletas o aspas alineadas para reducir aún más la turbulencia, sirviendo al mismo tiempo como superficies colectoras de gotas de líquido. La eficiencia de separación en esta sección, depende principalmente de las propiedades físicas del gas y del líquido, del tamaño de las gotas de líquido suspendidas en el flujo de gas y del grado de turbulencia. .

Descripción de un Separador Sección de extracción de niebla: En esta parte del separador se utilizan el efecto de choque y/o la fuerza centrífuga como mecanismos de separación. Mediante estos mecanismos se logra que las pequeñas gotas de líquido, se colecten sobre una superficie en donde se acumulan y forman gotas más grandes, que se drenan a través de un conducto a la sección de acumulación de líquidos o bien caen contra la corriente de gas a la sección de separación primaria. El dispositivo utilizado en esta sección, conocido como extractor de niebla, está constituido generalmente por un conjunto de veletas o aspas; por alambre entretejido, o por tubos ciclónicos.

Descripción de un Separador Recolección de las fases líquidas Está constituida por la parte inferior del separador que actúa como colector, posee control de nivel mediante un flotador para manejar volúmenes de líquidos obtenidos durante la operación.

Funciones de los Separadores Las funciones que debe cumplir un separador son: 1.

Hacer una primera separación de fases entre los hidrocarburos de la mezcla.

2.

Cuando el proceso de separación ocurre entre la fase gaseosa y líquida, la función del separador será: Refinar el proceso de separación mediante la recolección de partículas líquidas atrapadas en la fase gaseosa, y partículas del gas atrapadas en la fase líquida.

3.

Liberar parte de la fase gaseosa que haya quedado atrapada en la líquida

4.

Descargar por separado la fase líquida y gaseosa, que salen del separador, con el objetivo de evitar que se vuelvan a mezclar, lo que haría que el proceso de separación sea de una baja eficiencia.

Funciones de operación de los Separadores Para que un separador pueda cumplir con sus funciones debe satisfacer lo siguiente: •

Controlar la energía del fluido al entrar al separador

•

Las tasas de flujo deben responder a ciertos rasgos de volumen

•

La turbulencia que ocurren en la sección ocupada por el gas debe ser minimizada

•

La acumulación de espuma y partículas contaminantes deben ser eliminadas

•

Las salidas de los fluidos deben estar previstas de los controles de presión

•

Las regiones de acumulación de sólidos deben tener prevista la remoción de estas fases

•

El separador debe tener válvulas de alivio

•

El recipiente debe estar provisto de manómetros, termómetros, controles de nivel, etc.

•

El separador debe tener bocas de visitas

Clasificación de los Separadores Se clasifican en función de: Número de fases a separar


Separadores Bifásicos.
Separadores Trifásicos.
Separadores Tetrafásicos.

Forma Geométrica

Ubicación

Presión de Operación


Separadores Verticales
Separadores Horizontales
Separadores Esférico.
Separadores de Entrada,
Separadores en Serie, Paralelo
Separadores Tipo Filtro, Tipo Tanque de Venteo (Flash), Tipo Centrífugo,
Separadores Tipo Depuradores
Separadores de goteo en línea
Torre de Destilación
Separadores de alta, media y baja presión

Según las fases a separar Separadores Bifásicos Estos separadores, tiene como principal objetivo separar fluidos bifásicos, tales como Gas y Petróleo, Agua y Petróleo.

Según las fases a separar Separadores Trifásicos Los separadores trifásicos se diseñan para separar tres fases, constituidas por el gas y las dos fases de los líquidos inmiscibles (agua y petróleo), es decir, separar los componentes de los fluidos que se producen en un pozo petrolero.

Separadores Trifásicos Vista General del Equipo Ánodos de Sacrificio Desmister

Difusor de Entrada

Sistema de desarenadores

Tubos de Fuego

Sistema de Desarenadores

Baffles

Según las fases a separar Separadores Tetrafásicos En cuanto a los separadores tetrafásicos podemos decir que en los mismos se ha previsto adicionalmente, una sección para la sección de espuma que suele formarse en algunos tipos de fluidos

Según la forma Geométrica Separadores Verticales

a) b) c) d)

Placa desviadora Demister Sección de recolección de líquido del Demister Canducto de drenaje del demister

Gas

Líquido

Según la forma Geométrica Separadores Horizontales

Según la forma Geométrica Separadores Esféricos Este diseño puede ser muy eficiente de punto de vista de contención de presión, pero debido a su capacidad limitada de oleada líquido y dificultades con la fabricación

Según la Ubicación Separadores de Entrada

Estos equipos están ubicados a la entrada de la planta, para recibir los fluidos en su condición original, cruda; obviamente en este caso será necesario esperar la posibilidad de recibir impurezas en el fluido

Según la Ubicación Separadores en Paralelo

Estos separadores que están colocados en paralelo. En este caso la separación se realiza en forma simultánea

Según la Ubicación Separadores en Serie Gas

T1, P1

T2, P2

Petróleo

Ta, Pa

Según la Ubicación Depuradores de Gas

La principal, función del depurador es remover los residuos líquidos de una mezcla, que tiene predominio de partículas gaseosas, para ello en su diseño tienen elementos de impacto para remover las partículas líquidas.

Depuradores de Gas

Según la Ubicación Separadores Tipo Filtro Este tipo de separador, por lo general tiene dos compartimientos. Uno de ellos es un filtro coalescente, el cual se utiliza para la separación primaria del líquido, que viene con el gas. Mientras, el gas fluya a través de los filtros, las partículas pequeñas del líquido, se van agrupado, para formar moléculas de mayor tamaño. Una vez que la moléculas se han hecho de mayor tamaño, son con cierta facilidad empujadas por la presión del gas hacía el núcleo del filtro, y por ende separadas del gas

Según la Ubicación Separadores Centrífugos

Estos separadores se utilizan para separar partículas sólidas y líquidas de la corriente de gas

Según la Ubicación Torre de Destilación

Este envase permite separar un fluido en varios componentes de composiciones deseadas. Para ello se utilizan procesos de equilibrio térmico basado en las constantes de equilibrio líquido- vapor. Por lo general, las torres de destilación poseen platos en los cuales se establecen flujos en dos direcciones el gas en ascenso y el líquido en descenso.

Según la Ubicación Separadores Tipo Tanque de Venteo. Estos son separadores que se utilizan para separar el gas que se produce cuando se reduce la presión del líquido.

Según la Ubicación Tipo de Goteo en Línea

Estos equipos se instalan en tuberías que manejan fluidos con una alta relación Gas- líquido El objetivo es remover el líquido libre y no necesariamente todo el líquido contenido en la corriente gaseosa. Luego, los equipos de goteo en línea permiten la acumulación y separación del líquido libre.

Según la Presión de Operación

T1, P1

T2, P2

Petróleo Condensado (+Gas) (40-60ºAPI)

T3, P3

Ta, Pa

Separadores Horizontales Ventajas
Por lo normal se emplean cuando la relación gas- líquido es baja.
Requieren de poco espacio vertical para su instalación.
Requieren menor diámetro que un separador vertical, para una capacidad dada de gas.
Manejan grandes cantidades de líquido, optimizando el volumen de operación requerido.

Desventajas
Cuando existen variaciones a nivel de la fase pesada afectan la separación de la fase liviana.
Ocupan mucho espacio horizontal.
Es difícil la remoción de sólidos acumulados.

Separadores Esféricos Ventajas
Más compactos que los horizontales o los verticales, por lo que se usan en plataformas costa afuera.
Son más fáciles de limpiar que los separadores verticales.
Los diferentes tamaños disponibles los hacen el tipo más económico para instalaciones individuales de pozos de alta presión.

Desventajas
Tienen un espacio de separación muy limitado.

Descripción de los internos de un Separador Deflectores Se emplean para producir un cambio en la cantidad de movimiento o de dirección del flujo de la corriente de entrada, y así producir la primera separación mecánica de las fases.

Deflectores

Descripción de los internos de un Separador Distribuidores de entrada Tienen ranuras ú orificios, por los cuales salen las dos fases a una baja velocidad. Ayudan a distribución pareja de las fases del área disponible de flujo, que favorece a la separación de las mismas.

Ciclones La separación mecánica se efectúa por la fuerza centrifuga que actúa sobre las partículas al provocar el movimiento giratorio sobre la corriente de alimentación.

Descripción de los internos de un Separador Eliminador de niebla tipo malla Retienen las partículas líquidas hasta que adquieren un tamaño suficientemente grande como para que el peso supere tanto la tensión superficial como la acción de arrastre producida por el gas.

Eliminador de niebla tipo aleta Consisten en un laberinto formado por láminas de metal colocadas paralelamente, con una series de bolsillos recolectores de líquido

Descripción de los internos de un Separador Eliminador de niebla tipo Ciclón Producen la separación debido a un cambio en la cantidad angular de movimiento de la corriente bifásica.

Rompe vórtices Es bueno incluirlos en los separadores para prevenir que se desarrolle un vórtice cuando la válvula control de líquidos esta abierta. Ayuda a prevenir que el gas sea nuevamente arrastrado.

Descripción de los internos de un Separador Placas rompe espumas Consiste en una serie de placas paralelas longitudinales direccionadoras del flujo, colocadas en la zona de retención de líquidos de los separadores horizontales. Estas placas evitan que las burbujas de gas que ascienden a través del líquido colapsen y produzcan la agitación necesaria para formar la espuma.

Rompe olas Para evitar la propagación de las ondulaciones y los cambios de nivel en dirección longitudinal que son producidos por la entrada súbita de tapones de líquido dentro del separador.

Descripción de los internos de un Separador Tuberías internas Pueden ser adecuadas tanto para los separadores verticales y horizontales. Para eliminar las impurezas que se depositan en el equipo durante su operación o para desplazar a los hidrocarburos antes de proceder a la apertura del recipiente

SISTEMA DE SAND JET DETALLES

BOQUILLAS DE INYECCION

TUBO COLECTOR DE RESIDUOS

MANIFOLD

Problemas de Operación de los Separadores
Crudos espumosos
Presencia de arenas
Parafinas
Emulsiones
Corrosión

Problemas de Operación de los Separadores Crudos espumosos
Dificultad para controlar el nivel del líquido.
Problemas en la separación del líquido del gas.
Probabilidad que el gas y el líquido salgan del separador junto con la espuma y con ello causar considerables pérdidas económicas.

Problemas de Operación de los Separadores Presencia de arenas
Taponamiento de internos del separador.

los

dispositivos

SISTEMA DE SAND JET DETALLES

BOQUILLAS DE INYECCION


Erosión, corte de válvulas y líneas.
Acumulación en el fondo del separador.

TUBO COLECTOR DE RESIDUOS

MANIFOLD

Problemas de Operación de los Separadores Parafinas La parafina en los separadores de petróleo y gas reduce su eficiencia y puede hacerlos inoperables llenando parcialmente el recipiente y/o bloqueando el extractor de mezcla y las entradas de fluido. Puede ser removida efectivamente utilizando vapor o solventes.

Emulsiones La presencia de emulsiones crea problemas en los separadores de 3 fases. Se pueden usar los delmulsificantes para romper la emulsión.

Corrosión Los fluidos producidos del pozo pueden ser muy corrosivos y causar la falla temprana del equipo. Los dos elementos más corrosivos son Dióxido de Carbono y el Sulfuro de Hidrogeno.

Problemas operacionales típicos a tomar en cuenta en el diseño
Formación de espuma Se observan en mezcla vapor–líquido o vapor–líquido–líquido. El método más económico de eliminar el problema es incorporar deflectores de espuma, agregar longitud extra al recipiente o usar aditivos químicos.
Flujo de avance Algunas lineas de flujo bifásico muestran la tendencia a un tipo de flujo inestable, de oleaje, que se denomina flujo de avance. Obviamente la presencia del flujo avance requiere incluir placas rompe olas en el separador.
Materiales pegajosos Tal es el caso de crudos parafinosos, pueden presentar problemas operativos, debido al ensuciamiento o incrustación de los elementos internos. Para controlar este inconveniente comúnmente se utilizan aditivos químicos.
Presencia y acumulación de sólidos Puede ser controladas instalando tuberías de lavado (si aplica), boquillas de limpieza por inyección de líquidos, boquillas de remoción de sólidos, inclinación de recipientes horizontales, aberturas para la limpieza etc.

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores ASPECTOS A EVALUAR a.- La energía que posee el fluido al entrar al separador, debe de ser controlada b.-Las tasas de flujo, tanto de la fase líquida, como de la gaseosa, deben de encontrarse dentro del rango establecido por el separador. Si, esto se cumple se puede asegurar que el fluido es controlado por las fuerzas de gravedad, las cuales actúan sobre el fluido y se establece un equilibrio interfásico líquido- vapor c.- Las turbulencia que ocurren fundamentalmente en la sección ocupada por la fase gaseosa, debe de ser minimizada, antes que cause problemas en el proceso de separación, y por ende problemas a la hora de evaluar la eficiencia. d.- La acumulación de espuma y contaminantes debe de ser controlada. e.- Las salidas del separador de las fases líquidas y gaseosas, deben de realizarse de tal forma, que no vuelvan a encontrase. Además a la salida de los fluidos del separador debe de tener controles, de presión y de nivel de los fluidos.

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores ASPECTOS A EVALUAR f.- En el separador se debe tener prevista la eliminación de partículas sólidas, cuando estas se hayan acumulado g.- En el separador se tiene que tener prevista el control de la presión, para lo cual es recomendable la instalación de válvulas de alivio. También se recomienda instalar manómetros, termómetros, controles de nivel, boca de visitas, de tal forma que se pueda revisar en forma rápida el separador. h.- Para el correcto diseño de un separador se deben conocer y manejar los parámetros que afectan el comportamiento del sistema a separar. Se deben analizar exhaustivamente las propiedades del fluido, las cuales derivan en el Comportamiento de las fases. Se debe tener en cuenta que tanto las propiedades del gas, como las del líquido actúan dentro del separador, y actúan en forma directa sobre el diseño del separador.

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Servicio a prestar Es muy importante tener en cuenta, que el comportamiento de una gota de fluido en estado líquido, estará en función del tipo de separador a utilizar. Es decir, que una gota líquida en un separador de posición vertical tendrá un comportamiento diferente, que si el separador fuera de posición horizontal.

Separador Vertical Fuerzas Del Gas Flotación Gravedad Resultante

Separador Horizontal

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Composición del fluido que se va a separar: Para un correcto diseño se debe manejar en forma clara el concepto de equilibrio de fases, separación instantánea, ya que será la única manera, en que se pueda manejar la cantidad de líquido y gas a separar bajo las condiciones de presión y temperatura de operación. .

Diagrama de Fases

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Composición del fluido que se va a separar: Para evaluar el funcionamiento de un sistema de separación en etapas, es necesario efectuar cálculos de equilibrio vapor- líquido y de balance de materiales en cada etapa de separación. Esto permite conocer las cantidades de gas y de líquido separadas en cada etapa, así como los parámetros necesarios para seleccionar las presiones de separación óptimas para los fines que se pretendan. Constantes de Equilibrio (Keq). a.- Ley de Raoult. b.- Ley de Dalton, Composición de las fases

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Composición del fluido que se va a separar: CALCULOS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO 1.- En Base a la Presión de Convergencia: Este parámetro puede definirse, como la presión a la cual todos los valores de la constante de equilibrio vapor- líquido tienden a la unidad a la temperatura del sistema. Esto significa, que es la presión para un sistema a una temperatura dada, cuando ya no es posible la separación de las fases gaseosas y líquidas. 2.- En Base a la fugacidad: La fugacidad (f) es una forma común para expresar la (KI). La fugacidad es un concepto termodinámico difícil de definir en términos físicos. Es una función de energía libre. 3.- En Base a Ecuaciones de Estado: Estas ecuaciones han sido utilizadas en muchos trabajos de ingeniería en general; en la ingeniería petrolera se han aceptado como una herramienta bastante útil para diagnosticar el comportamiento de fases de los fluidos.

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Presión y temperatura de operación. Afectan la operatividad del separador, además que influyen en forma directa en la mayoría de los otros parámetros, que definen la eficiencia del proceso de separación.

A la presión óptima se obtiene: a.- Máxima producción de petróleo b.- Máxima gravedad API del crudo c.- Mínima relación gas - petróleo d.- Mínimo factor volumétrico del petróleo

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Velocidad critica del gas: Velocidad máxima del gas a la cual las fuerzas de gravedad controlan el movimiento del gas, y por consiguiente promueve la caída de las gotas del líquido. VC = K

ρL − ρg ρg

ρLL: densidad del Líquido en condiciones de operación, lbs/pie33 ρgg: densidad del gas en condiciones de operación, lbs/pie33 K: Constante de Souders y Brown

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Constante de Souders y Brown (K): Es el valor que acerca o aleja las predicciones del funcionamiento real del sistema. Se adapta de acuerdo a las mejoras tecnológicas introducidas a los diseños.

Consideraciones: a.- K = 0,35 a 100 lpcm, y disminuye 0,01 por cada 100 lpcm (Asociación de Productores y Procesadores de Gas de E.U.A). b.- Depende de la relación tasa másica del líquido y del gas en el separador (Wl/Wg). Separadores Verticales

Separadores Horizontales

(Wl/Wg) < 0,1

K = 0,35

0,1 1,0

K = 0,2

0,4 < K < 0,5

Parámetros que Intervienen en el Diseño de los Separadores Consideraciones separadores horizontales: 2,5 < L/D < 4,0

K = 0,40

L: longitud del separador (min. 7,5 pies)

4,0 < L/D < 6,0

K = 0,50

D: diámetro del separador (pies)

L/D > 6,0

0,5 K = 0,50 [L/Lbase ]0,5 base

“K varía de acuerdo con los diferentes diseñadores o fabricantes” Separadores Verticales

Separadores Horizontales

NATCO; PEERLES EXXON ρ L − ρ g VC = 0,16

ρg

NATCO EXXON ρ L − ρ g

VC = 0,16

ρg

EPRCO (0,125