Unidad II – Separación Primaria

Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad II – Separación Primaria
Unidad II:
Separación Primaria
1. Separación de fases y tipos de separadores
1.1. Características de un separador
2.2. Extractores de niebla
2. Principios de operación de separadores
3. Sistema de control
3.1. Control de presión en separadores
3.2. Control de nivel en separadores
3.3. Como evacuar el líquido separado
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Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad II – Separación Primaria
En esta unidad presentaremos el proceso de separación primaria. Este proceso es la primera
operación que se realiza con los productos recolectados en los pozos. En ella se separa el
líquido del gas. Una vez separados, cada uno sigue un proceso diferenciado.
Analizaremos los tipos de separadores que se utilizan en este proceso, sus componentes y sus
principios de operación. También, el funcionamiento de los controles del proceso.
Veamos dónde se ubican estos temas en el esquema general del proceso:
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1. Separación de fases y tipos de separadores
Cuando se perfora un pozo petrolífero, el producto obtenido puede contener petróleo crudo, gas, barros,
sales, agua, azufre y otros elementos químicos.
El fluido que sale del pozo sufre una primera separación, que denominamos separación primaria. La
separación primaria separa el fluido en tres componentes principales:
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•
•
Una fase gaseosa: que se deriva al tratamiento de los gases.
Una fase de petróleo: que se deriva al tratamiento del petróleo.
Una fase acuosa: que se deriva al tratamiento del agua.
La separación primaria consiste, entonces, en la separación líquido-gas
La separación líquido-líquido (posterior a la separación primaria) requiere que los líquidos sean no
miscibles, es decir que no se mezclen, como el sistema petróleo-agua o gasolina-agua. Si los líquidos
fueran miscibles, el separador no sería aplicable para esta operación, ya que constituirían una fase única
por tener una sola densidad.
La separación primaria se lleva a cabo mediante equipos denominados separadores. En las baterías se
utilizan separadores generales para controlar el total de la producción de la batería, y separadores de
control para controlar la producción de un pozo en particular.
La fase líquida que sale de la separación primaria, formada generalmente por petróleo y agua, sigue su
proceso de tratamiento de manera independiente a la fase gaseosa. Esta fase, compuesta por el gas
aislado en la separación primaria, contiene una cantidad de elementos contaminantes (como el azufre, por
ejemplo) que deben ser extraídos o removidos.
El proceso de tratamiento del líquido y del gas por separado se denomina separación secundaria.
1.1 Componentes de un separador
Un separador debe contar con los siguientes componentes:
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Un espacio destinado a facilitar la separación del grueso del líquido.
Un volumen suficiente para contener los golpes de líquido que pudieran producirse en los pozos.
La longitud suficiente en separadores horizontales, o la altura en separadores verticales, para permitir
que las partículas más pequeñas sedimenten y no sean arrastradas por la corriente principal.
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•
Dispositivos internos para evitar la turbulencia y asegurar la precipitación de las partículas más
pesadas.
Un extractor de niebla que retenga las partículas microscópicas arrastradas.
Lazos de control de nivel de líquidos y de control de la presión.
1.2. Extractores de niebla
Un elemento de gran importancia en la separación de las gotas de menor tamaño de la corriente de gas es
el llamado extractor de niebla. Existen dos tipos: la caja de chicanas y la malla tejida de alambre.
Haga clic en el nombre para acceder a la descripción de cada tipo de extractor de niebla.
Caja de chicanas
La caja de chicanas consiste en una serie de placas onduladas, colocadas en paralelo y separadas entre sí
por espacios de forma laberíntica que, cuando son recorridos por el gas, provocan el choque de las gotas; al
chocar, las gotas se acumulan y caen por gravedad.
Cuando las placas se aproximen aumentará la eficiencia de la separación, pero también la pérdida de carga
que, normalmente, toma valores de entre 30 y 250 mm de columna de agua.
El montaje de la caja de chicanas se realiza de modo tal que el gas esté obligado a atravesarla. Además, se
instala en el fondo una bandeja colectora con sello líquido para evacuar el fluido correctamente, evitando su
reabsorción por el gas.
Malla tejida de alambre
La malla de alambre (demister) está tejida, generalmente, con alambre de acero inoxidable de 0.3 mm.
Consiste en un paquete de malla tejida y compactada hasta una densidad preestablecida del orden de los
200 kg/m3, que se instala perpendicular al sentido del flujo del gas. Al atravesar la malla, el flujo del gas va
perdiendo las gotas que chocan contra ella.
Para los separadores se requiere un espesor de malla de 100 o 150 mm; en los casos en que se anticipa la
presencia de líquidos con tendencia a formar espuma se pueden usar dos mallas en serie.
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En los casos en que se anticipen grandes volúmenes de líquido arrastrados por el gas, debe usarse la caja
de chicanas. Cuando se anticipe una cantidad importante de líquido en forma de gotas pequeñas -como
cuando se genera espuma-, debe usarse la malla tejida.
Ante la posibilidad de formación de sólidos, no se debe usar la malla tejida. Para ese caso es más
recomendable la caja de chicanas, porque a una mayor amplitud de los canales tendrán menos tendencia a
ocluirse. Además, al tener mayor resistencia mecánica, pueden limpiarse desde el exterior, a través de una
conexión preparada especialmente mediante barrido con gas o vapor.
2. Principios de operación de separadores
Los principios de operación de los separadores son la fuerza de la gravedad y la fuerza centrífuga.
Fuerza centrífuga
Fuerza de gravedad
Opera cuando se somete el fluido a un cambio Permite la separación de los fluidos a partir de sus
brusco de dirección.
diferentes densidades, cuando se ha disminuido
adecuadamente la velocidad.
Veamos cómo funcionan estos principios en el separador:
El grueso del líquido se separa a la entrada del separador, por acción de la fuerza centrífuga originada
mediante una entrada tangencial o chicanas internas. Las chicanas producen un movimiento de rotación
que impulsa las partículas de mayor peso hacia la periferia. Estas partículas, al chocar con las paredes,
disminuyen su velocidad, coalescen y descienden hasta la fase líquida.
A los efectos de la separación de gotas, la longitud en un separador horizontal es más importante que la
altura en un separador vertical.
En el caso de los separadores verticales, la velocidad del gas que asciende hacia la salida no debe ser tan
alta como para que arrastre las gotas que flotan en su interior. Por el contrario, debe ser lo suficientemente
baja para permitir que la gota más pequeña caiga por su propio peso.
En el caso de los separadores horizontales, en cambio, la trayectoria del gas es horizontal y la gota, por
efecto de su peso, tiende a caer en forma vertical. La composición de ambas fuerzas hace que la gota tenga
una trayectoria de tipo balística. La composición de la fuerza de gravedad (vertical) con la velocidad de
entrada (horizontal) da como resultado una trayectoria balística.
En cualquier caso, antes de la salida del equipo, el gas debe pasar a través de un extractor de niebla
(demister) donde quedan retenidas las gotas más pequeñas, que coalescen y precipitan por efecto de la
gravedad.
La eficiencia en la separación de gotas depende, en gran medida, de la distribución de diámetros de
partícula (Dp), medida en micrones (1µ=0,001 mm).
1. En la placa de choque, a la entrada del separador, quedan retenidas las gotas de más de 500µ.
2. Luego, en el área de separación primaria, se separan por efecto de la gravedad las partículas de más de
150µ.
3. Finalmente, al pasar por el demister, se separan las gotas de más de 30µ. Las gotas de menor tamaño
no son separables por los medios descriptos.
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3. Sistema de control
3.1 Control de presión en separadores
Como regla general, el separador debe trabajar a presión constante, independientemente de la operación
de los equipos adyacentes. Para este propósito, existe una válvula controladora de presión ubicada a la
salida del separador (back pressure valve).
El separador tendrá un nivel de operación normal, definido a partir del tiempo de residencia establecido.
Contará con alarmas, tanto por encima como por debajo del nivel normal, que se calculan en función de las
fluctuaciones de caudal estimadas.
El operador debe contar con el tiempo necesario para ejecutar las maniobras correctivas entre los niveles
de alarma y de parada.
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3.2 Control de nivel en separadores
Hay tres elementos a tener en cuenta en el control de nivel del separador:
1. Para una buena separación líquido-gas o líquido-líquido se requiere mantener constantes los niveles de
las interfases. Para ello, es recomendable usar controladores de acción proporcional + integral. Esto permite
eliminar la diferencia con el valor deseado, offset, y corregir las fluctuaciones que pudieran producirse en el
caudal de líquido.
2. Cuando se esperan grandes fluctuaciones en el caudal de líquido, es conveniente utilizar dos válvulas y
un control de rango partido. De este modo, cuando el caudal sea normal operará solo una válvula, pero si se
produce un golpe de líquido comenzará a operar la segunda válvula, a fin de recuperar el nivel normal
rápidamente.
3. En separadores verticales, u horizontales de escasa longitud ambas válvulas pueden estar conectadas a
la misma conexión de salida. En separadores horizontales de más de 6 metros es conveniente que una de
las válvulas se encuentre próxima a la conexión de entrada, a fin de amortiguar la onda de la fluctuación
antes de que llegue al controlador.
3.3. Cómo evacuar el líquido separado
El líquido que sale del separador debe ser eliminado. En la mayoría de los casos, esto se hace a través de
una válvula de control de nivel. El líquido fluye hacia la próxima etapa de su tratamiento por diferencia de
presión. En el caso de necesitar una bomba para evacuar el líquido separado, la válvula de control de nivel
se puede instalar en la línea de descarga de una bomba centrífuga. De este modo, se la protege contra el
bajo caudal mediante una conexión en by pass.
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En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la
unidad.
Separación de fases
Separación primaria:
gas-líquido
Separación
secundaria:
remoción de
contaminantes
Gas
Separación
secundaria:
líquido-líquido
líquido
Tratamiento del
gas
Tratamiento del
agua
Separadores
Tipos de separadores:
•
General
•
De control
Características:
•
Suficiente volumen
•
Suficiente longitud
•
Extractor de niebla
Principios de operación:
•
Fuerza de gravedad
•
Fuerza centrífuga
Sistemas de control:
•
De nivel
•
De presión
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Tratamiento del
petróleo