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Prof. Marcas Martnez

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DISEO CONCEPTUAL DE SEPARADORES

Marcas J. Martnez

1. Introduccin. El diseo de un separador se refiere a las consideraciones que se deben hacer para calcular y decidir sobre el dimensionamiento y seleccin de los equipos que debe llevar un separador, escogiendo el tipo ms apropiado para realizar el trabajo. El trmino conceptual atae a las consideraciones o conceptos en los cuales se apoya el ingeniero para calcular y decidir sobre la mejor seleccin tcnico econmica. Para hacer los clculos y escoger el equipo ms apropiado el diseador se apoya de manera especial en las normas existentes (Ver Fig. No. 1 y 2). A los fines de este trabajo, se har referencia a la separacin de mezclas de hidrocarburos, un aspecto rutinario en la industria del petrleo. 1.1. Parmetros fundamentales para el diseo de un separador,

empleando como ejemplo el diseo de un separador vertical. (Ver Fig. No. 3).

A continuacin se mencionan los principales parmetros que

sirven de soporte al momento de calcular el recipiente (Ver Fig. No. 4): 1.1.1. Caudal del gas que se va a separar, presentado en

condiciones normales (14.7 lpca y 60 F).

El calculista deber proceder a expresar este caudal en su respectivo volumen a condiciones de operacin, entendiendo como tal la presin y la temperatura a la cual se va a hacer la separacin de la mezcla de hidrocarburos (Ver Fig. No. 5). Una vez que se determina la cantidad de gas que saldr por el tope del recipiente y el lquido que, despus de separarse sale por el fondo del separador, es posible iniciar la indagatoria correspondiente. El gas del tope se deber trabajar a condiciones de operacin (Ver Fig. No. 6). Para calcular el dimetro interno del recipiente vertical, se deber calcular previamente la velocidad crtica del gas dentro de la unidad (Ver Fig. No. 7). Se entiende como tal aquella velocidad por encima de la cual los lquidos son arrastrados conjuntamente con la fase gaseosa. Este trmino no toma en cuenta la existencia de una

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malla o extractor de niebla capaz de retener las partculas que eventualmente pudiera arrastrar el gas. Con el caudal de gas, a condiciones de operacin, y la velocidad del fluido gaseoso dentro de la unidad se determina el dimetro requerido para hacer el trabajo (Ver Fig. No. 8). El ingeniero deber seleccionar el dimetro comercial ms cercano que exista en el mercado. Con este parmetro se inician los clculos, no obstante, no podemos garantizar que sea el que finalmente se vaya a utilizar. 1.1.2. Cantidad de lquido que debe procesar el separador.

Despus que se selecciona el dimetro del recipiente, se debe calcular la altura que los lquidos ocuparan dentro del separador. Este parmetro (hL) va a servir de soporte para el dimensionamiento de la unidad. (Ver Fig. No. 9). Para calcular (hL) es necesario conocer el tipo de fluido con el cual se trabaja, porque el tiempo de retencin o de residencia de los lquidos en el separador se determina con la gravedad API del fluido. En la Fig. No. 9 se indican las condiciones para seleccionar el tiempo de residencia. As, con el caudal de lquido que se deposita en el fondo del recipiente y el tiempo de retencin se dispone del volumen de lquido que el separador puede manejar.

La altura del lquido ser igual al volumen calculado dividido entre el rea transversal del separador que se ha seleccionado en forma preliminar. Con el dimetro del separador y la altura de lquido se termina el dimensionamiento del recipiente, atendiendo a la normativa que especficamente se aplique en cada caso. (Ver Fig. No. 1 y 2). Es normal que el recipiente resulte demasiado alto, en lugar de un separador habra resultado un tubo. En ese caso es necesario ir aumentando el dimetro de manera progresiva hasta colocar la unidad dentro de las condiciones de esbeltez que recomienda la norma (Por ejemplo: 2,5

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En ambos casos el diseador deber encontrar el dimetro

correcto desde el punto de vista de la esbeltez o de la elegancia del diseo. Ahora se podr revisar los catlogos para escoger un separador que satisfaga los requerimientos de la empresa.

Cul de estos criterios siguen los fabricantes? El que ms convenga para aumentar las ganancias. El fabricante tiende a aumentar la velocidad interna del gas para reducir el dimetro del separador.

De esa manera el vendedor tender a demostrar que su separador, siendo ms pequeo que el de la competencia, es capaz de manejar una cantidad igual o mayor de los fluidos. El precio no ser aquel que resulte del costo del equipo fabricado, sino que, ser establecido en funcin de otras unidades menos eficientes y de mayor dimetro. 1.2. Separadores horizontales. (Ver Fig. No. 13). En el caso de los separadores horizontales el problema se centra en la distribucin adecuada del rea de la seccin transversal del cilindro para manejar simultneamente el gas y el lquido. En este caso el agua y el petrleo se trabajan como una sola fase. (Ver Fig. No. 11). El rea requerida para el gas natural tambin se calcula a partir del caudal del gas, a condiciones de operacin, y la velocidad crtica del gas dentro del sistema. El volumen de lquido que se debe manejar se encuentra multiplicando el rea de la seccin del crculo reservada para los lquidos por la longitud del separador. (Ver Fig. No. 12). Para repartir la seccin transversal entre el gas y el lquido se requiere un procedimiento de ensayo y error. La experiencia del diseador acortar el tiempo de clculo en forma contundente. Obviamente, cuando se dispone de un simulador el ingeniero podr verificar de manera previa el dimetro ms conveniente, con lo cual reduce en forma efectiva la bsqueda de las respuestas.

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1.2.1.Normativas de diseo.

La norma que se emplee para el diseo de un separador horizontal bifsico conducir al ingeniero a la seleccin ms econmica y recomendable. De manera general se puede decir que, a medida que aumenta el dimetro del separador se incrementa el precio del recipiente. Eso conduce a utilizar el mximo valor permitido de L/D antes de incrementar el dimetro del separador. (Ver Fig. No. 16). 1.2.2. Diferencias con los separadores verticales vs. los

horizontales. (Ver Fig. No. 14 y 15). El separador horizontal permite almacenar mayor cantidad de lquido que el vertical, se prefiere cuando la relacin gas petrleo es baja. El separador vertical se recomienda en aquellos casos donde el fluido predominante sea el gas antes que los lquidos. Esta primera opcin podra quedar de lado cuando, por razones de espacio, se deba seleccionar una unidad ms apropiada para el lugar donde se haga la separacin. 1.3. Separadores horizontales trifsicos. (ver Fig. No. 17). La separacin trifsica implica la separacin del gas con respecto a los lquidos y, simultneamente, garantizar que el petrleo salga libre de agua y, el agua, libre de petrleo. Ello implica que cada una de las fases (aceptando que el petrleo y el agua se comportan como dos fases bien diferenciadas) debe salir del recipiente completamente libre de la otra. La separacin del gas natural con respecto a los lquidos se logra observando con rigurosidad los parmetros que ya han sido analizados: 1.3.1.Velocidad crtica del gas dentro de la unidad. Tiempo de retencin del lquido, en funcin de las caractersticas del fluido que se separa. Velocidad en el sentido vertical tanto del agua en la fase de petrleo como la del petrleo en la zona reservada para el agua. Este

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aspecto es el ms importante porque obliga al incremento del dimetro del recipiente y aumenta de manera notable el costo del separador. Es conveniente aclarar que en el clculo de la velocidad en el sentido vertical intervienen, entre otros parmetros, el tamao de la gota y la viscosidad del fluido. El tamao de la partcula que se considera apropiada para clasificar al agua, libre de petrleo y viceversa, es un aspecto muy determinante en el tamao del recipiente. Debe anotarse, adicionalmente, que no resulta fcil medir el tamao de la gota en las operaciones del campo. La mayora de las veces el usuario termina aceptando lo que dice el vendedor de los equipos. As concluye el anlisis del tema, dedicado al Diseo conceptual de separadores. El hipertexto del trabajo ha sido realizado por la empresa INGENIEROS CONSULTORES Y ASOCIADOS C.A. (ICONSA): iconsa@cantv.net y www.gas-training.com