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DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE SEPARACION (KNOCKOUT
DRUM) PARA LA PREVENCION DE FALLAS POR ARRASTRE DE LÍQUIDO EN
COMPRESORES DE GAS
ANDRES IMITOLA BUELVAS
STEVEN CUETO CASTRO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERIA
Programa de Ingeniería Química
CARTAGENA DE INDIAS
AGOSTO 3 DE 2018
DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE SEPARACION (KNOCKOUT
DRUM) PARA LA PREVENCION DE FALLAS POR ARRASTRE DE LÍQUIDO EN
COMPRESORES DE GAS
ANDRES IMITOLA BUELVAS
STEVEN CUETO CASTRO
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al grado de Ingeniero
Químico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERIA
Programa de Ingeniería Química
CARTAGENA DE INDIAS
AGOSTO 3 DE 2018
CONTENIDO
RESUMEN ....................................................................................................................... 7
INTRODUCCION ............................................................................................................ 9
1. PROBLEMA DE INVESTIGACION .................................................................... 10
1.1. Planteamiento del Problema ............................................................................ 10
1.2. Formulación del Problema ............................................................................... 11
1.3. Justificación ..................................................................................................... 11
1.4. Objetivos .......................................................................................................... 12
1.4.1. Objetivo General....................................................................................... 12
1.4.2. Objetivos Específicos ............................................................................... 12
2. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................. 14
2.1. Antecedentes .................................................................................................... 14
2.2. Marco Teórico .................................................................................................. 17
2.2.1. Descripción de la unidad de hidrotratamiento de Diesel ......................... 17
2.2.2. Compresores ............................................................................................. 21
2.2.3. Principios de separación ........................................................................... 23
2.3. Marco Legal ..................................................................................................... 25
3. DISEÑO METODOLOGICO ................................................................................ 27
3.1. Tipo de Investigación ....................................................................................... 27
3.2. Enfoque Adoptado ........................................................................................... 27
3.3. Diseño Adoptado ............................................................................................. 27
3.4. Técnicas de Recolección de Información ........................................................ 27
3.4.1. Fuentes de Información Primaria ............................................................. 27
3.4.2. Fuentes de Información Segundaria ......................................................... 28
3.5. Hipótesis del Trabajo ....................................................................................... 28
3.6. Variables .......................................................................................................... 28
3.7. Operacionalizacion de Variables ..................................................................... 29
3.8. Procesamientos de la Información ................................................................... 29
3.9. Plan de Trabajo ................................................................................................ 29
3.9.1. Revisión Bibliográfica .............................................................................. 29
3.9.2. Selección de Parámetros que Intervienen en el Diseño del Separador ..... 30
3.9.3. Propiedades de los Fluidos ....................................................................... 30
3.9.4. Parámetros a Determinar para el Dimensionamiento de Separadores ...... 30
3.9.5. Secuencia para el diseño de separadores .................................................. 31
4. RESULTADOS ...................................................... ¡Error! Marcador no definido.
4.1. Propiedades Físicas del Alimento .................................................................... 32
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 56
REFERENCIAS ............................................................................................................. 59
LISTADOS DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama general de bloque del proceso. ....................................................... 17
Figura 2. Diagrama Unidad Hidrotratamiento Diésel ................................................... 18
Figura 3. Sección de compresión y reciclo de hidrogeno .............................................. 20
Figura 4. Sección de Amina ........................................................................................... 20
Figura 5. Compresor centrifugo...................................................................................... 22
Figura 6. Sello mecánico ................................................................................................ 23
Figura 7. Recipiente separador de líquido KOD ............................................................ 25
Figura 8. Secuencia para el diseño de separadores bifásicos ......................................... 31
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Marco legal del proyecto .................................................................................. 26
Tabla 2. Operacionalizacion de variables ....................................................................... 29
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza el diseño de un sistema de separación bifásico
(gas-liq) en una unidad de Hidrotratamiento de Diésel de Cartagena, siendo el equipo
central, el knock out drum (KNO).
El KNO es un dispositivo utilizado en varias aplicaciones industriales para
separar fases vapor-liq, cuyo objetivo principal consistirá en evitar el arrastre de líquidos
a un compresor del proceso. El cual, es el encargado de enviar el hidrogeno libre de ácido
sulfúrico a otras secciones donde sea requerido.
Para alcanzar el objetivo propuesto, inicialmente se recopiló la información
operacional de los equipos intervinientes en el proceso como la despojadora de gas de
reciclo, el tambor de amina rica y el compresor ya mencionado anteriormente.
Posteriormente se estableció una secuencia de cálculos para el diseño del
separador gas-liq, donde intervinieron parámetros como el factor de compresibilidad,
viscosidad y capacidad del gas, velocidad crítica y velocidad de asentamiento, diámetro
de la boquilla de la entrada, capacidad de líquido entre otros factores necesarios para el
dimensionamiento adecuado del equipo.
Finalmente se realizó un análisis económico para saber la viabilidad del proyecto
a implementar donde se encontró que la inversión inicial en comparación con las pérdidas
en un eventual fallo del compresor solo representa un 0.12% del costo de las reparaciones
y del cese en la producción por las paradas requeridas en este tiempo.
El material seleccionado fue acero A516-grado 70 siendo estos los más adecuado
para prevenir daños en el equipo por corrosión y soportar las presiones presentes en del
proceso. Las dimensiones obtenidas para el KNO fueron de 7653.4 mm de altura
incluyendo cabezales, 1348 mm de diámetro interno, la boquilla de alimento se coloca a
88.6 cm y el eliminador de niebla se coloca a 61.05 cm desde el tope del separador.
Palabras claves: KNO, separación, diseño, Hidrotratamiento
ABSTRACT
In the present work, the design of a two-phase separation system (gas-liq) is
carried out in a Diesel Hydrotreating unit in Cartagena, with the central equipment being
the knock out drum (KNO).
The KNO is a device used in several industrial applications to separate vapor-liq
phases, whose main objective will be to avoid the dragging of liquids to a compressor of
the process. Which, is responsible for sending the sulfuric acid-free hydrogen to other
sections where required.
To achieve the proposed objective, initially the operational information of the
teams involved in the process was collected, such as the gas stripping device, the rich
amine drum and the compressor already mentioned above.
Subsequently, a sequence of calculations was established for the design of the gas-
liq separator where parameters such as the compressibility factor, viscosity and gas
capacity, critical speed and settling speed, nozzle diameter of the inlet, liquid capacity
among others intervened. factors necessary for the proper sizing of the equipment.
Finally, an economic analysis was carried out to know the viability of the project.
It was implemented when the initial investment started compared to the United States.
Ultimately, the compressor failure only represents 0.12% of the cost of repairs and the
cost of production for the stops required in this time.
The selected material was A516-grade 70 steel, these being the most adequate to
prevent damage to the equipment due to corrosion and to withstand the pressures present
in the process. The additional dimensions for the KNO were 7653.4 mm in height with
heads, and 1348 mm in internal diameter, the food nozzle is placed at 88.6 cm and the
mist eliminator is placed at 61.05 cm from the top of the separator.
Keywords: KNO, separation, design, Hydrotreating.
INTRODUCCION
El principal objetivo de la unidad de Hidrotratamiento de Diésel, es producir
diésel de bajo azufre, y cumplir las especificaciones del mercado nacional e internacional
en cuanto al contenido de azufre.
Una de las secciones del proceso es la de compresión y reciclo de hidrogeno en la
cual el compresor de gas reciclado, es de tipo centrífugo impulsado por un motor con
estrangulación de succión, y bombea un gran volumen de gas cuya conexión principal de
hidrogeno de reciclo se canaliza hacia la carga diésel, después de precalentamiento en
varios intercambiadores.
A fin de prevenir fallas en el compresor en este proyecto se planea realizar una
propuesta de diseño de un sistema de separación que evite el arrastre de líquidos hacia el
equipo ubicado en la sección de compresión y reciclo de hidrogeno de la unidad.
Para el diseño de este sistema, inicialmente se realizará una revisión bibliográfica
en la literatura para estudiar y seleccionar las ecuaciones que se adapten a las condiciones
operacionales del proceso.
Posteriormente se recopilará toda la información operacional requerida para
establecer las dimensiones del tambor, donde una vez terminada esta fase se presentará
un diagrama de diseño del equipo y finalmente un análisis económico definirá que tan
rentable seria la inversión en la adquisición del equipo con respecto a las pérdidas
económicas que se puedan presentar en ausencia de una solución a la problemática
presente.
1. PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. Planteamiento del Problema
El hidro-tratamiento es un proceso cuyo objetivo primario es despojar pequeñas
cantidades de impurezas varias. En la unidad en estudio, se realiza el hidro-tratamiento
de Diésel, donde una de sus secciones consiste en la compresión y reciclo de hidrogeno.
En una parte de este sistema, el gas de reciclo se canaliza hacia una columna de
absorción física de gas de reciclo para retirar el H2S. La despojadora de gas de reciclo
utiliza una solución 40% MDEA (Metil Dietanol Amina) para retirar ácido sulfúrico,
mejorando así la presión parcial de hidrogeno y minimizando la supresión de actividad
del catalizador1.
Posteriormente el gas libre de ácido sulfhídrico comprime mediante el compresor
de gas de reciclo antes de enviar al reactor principal del proceso. El compresor de gas de
reciclo es un compresor centrifugo propulsado a motor con obturación de succión, el cual
en más de una ocasión ha presentado fallas operacionales.
La perturbación en los flujos en la despojadora ha ocasionado el arrastre de líquido
hacia el compresor diseñado para succionar solo gas, la presencia de amina obstruye los
sellos mecánicos del equipo y por consiguiente su salida de operación.
La reparación de sellos en el equipo representa un alto costo para la empresa,
además de pérdidas económicas por el tiempo cesante de producción que llega a ser de
uno a dos días de paradas forzosas.
La ausencia de control de arrastre de líquidos hacia el compresor representa el
caso de estudio para la presente investigación, en la cual se propone diseñar un sistema
de separación de fases liquido-gas el cual incluye malla demister, sistema de control de
nivel y dimensionamiento de tambor y tubería. El cual, retenga el paso de amina hacia el
compresor para reducir el impacto económico por fallas operacionales y evitar riesgos
por emisiones de H2S al ambiente laboral.
1 REFICAR. Manual supervisorio operativo. Unidad No 108 hidrotratadora de destilado unidad 1. Doc No.
108 RP-PR35-0001. 2008, p 18-167.
1.2. Formulación del Problema
¿Qué parámetros técnicos, conceptuales, y económicos se deben tener en cuenta
para el diseño conceptual de un sistema de separación (knockout drum) en una unidad de
Hidrotratamiento de diésel de Cartagena?
1.3. Justificación
Las pérdidas económicas por fallas operacionales en una empresa representan una
de las alarmas de mayor importancia y control en la industria petrolera mundial. En la
Refinería de Cartagena, en la unidad de Hidrotratamiento de diésel el arrastre de amina
hacia el compresor de gas de reciclo de la sección de compresión y reciclo de hidrogeno
es la razón de estudio del presente trabajo de investigación.
La acumulación de amina en los sellos del equipo, ocasiona el deterioro de los
mismos el cual para ser reparado requiere de una parada de planta que tarda entre uno y
dos días. Este cese en actividades productivas representa una pérdida de utilidades de
aproximadamente $1.000.000. Dólares diarios2 para la empresa.
Por otro lado, se deben adquirir los repuestos del compresor junto a los costos
técnicos para realizar las reparaciones que se requieren. El costo de estos sellos por unidad
está estimado en aproximadamente $400.000 Dólares, los cuales deben ser remplazados
a la mayor brevedad.
Otra de las razones, consiste en prevenir los riesgos al personal que labora en el
área, en caso de que el impacto sea mayor al ocurrido anteriormente, las emisiones de
H2S contenido en la corriente de hidrogeno que sale de la despojadora podrían aumentar
causando daños tóxicos al personal que labora en el área de influencia de la planta.
El ácido sulfhídrico es liberado principalmente en forma de gas y se dispersa al
aire cuando este hace contacto con la piel, pasa a la corriente sanguínea y es distribuido
a través de todo el cuerpo. La exposición a concentraciones bajas de ácido sulfhídrico
puede causar irritación de los ojos, la nariz o la garganta. También puede causar dificultad
para respirar en personas asmáticas. Las exposiciones breves a concentraciones altas de
ácido sulfhídrico (5000 ppm a la salida de dela despojadora) pueden producir pérdida del
conocimiento. En la mayoría de los casos, la persona parece recuperar el conocimiento
2 REFICAR. Programa de producción mensual cargas, producciones y económica Refinería de Cartagena.
Julio 2018.
sin sufrir otros efectos. Sin embargo, en muchos individuos, pueden ocurrir efectos
permanentes o de largo plazo, como por ejemplo dolores de cabeza, lapsos de
concentración, mala memoria y alteración de las funciones motoras. En seres humanos
expuestos a las concentraciones típicas de ácido sulfhídrico en el ambiente (0.00011 a
0.00033 ppm) se han descrito fatalidades causadas por inhalación de cantidades altas de
ácido sulfhídrico3.
Por último, la cadena de afectaciones por la parada de planta para la reparación
del compresor también ocasiona incumplimiento en las actividades comerciales a clientes
locales e internacionales cuentan con los productos de la empresa en fecha estipuladas.
Incumplimiento que empaña el buen nombre e imagen de la empresa.
Teniendo en cuenta que el problema en mención se ha presentado en más de una
ocasión en la unidad sin daños al personal, el presente proyecto de investigación busca
prevenir el impacto económico por las pérdidas que ocasiona el tiempo de reparación en
el equipo, evitar futuros riesgos por emisiones de H2S al ambiente y personal que labora
en el área, Además, espera contribuir a los avances de proyectos bajo la línea de
investigación de ingeniería de procesos del programa de ingeniería química de la
universidad San Buenaventura de Cartagena.
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo General
Diseñar un sistema de separación (Knockout Drum), a través de una secuencia de
cálculos matemáticos para el diseño de separadores bifásicos basado en la norma ASME,
con la finalidad de prevenir fallas por arrastre de líquido de un compresor en una unidad
de Hidrotratamiento de diésel.
1.4.2. Objetivos Específicos
Realizar un diagnóstico en la unidad de estudio para identificar las condiciones de
proceso que intervienen en la operación del compresor y establecer el problema
principal para dar una solución acertada.
3 ATSDR. Agencia para sustancias toxicas y el registro de enfermedades. [En línea]. <
https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs114.html.> [citado en 20 de junio 2018].
Recopilar información operacional de equipos, diagramas de proceso y variables
intervinientes para el dimensionamiento adecuado del sistema de separación.
Diseñar el Knockout Drum, estableciendo dimensiones y elementos
complementarios para la elaboración del diagrama propuesto para la prevención
de fallas en el compresor.
Analizar económicamente los costos de inversión vs perdidas por fallas de
compresor, para estimar la viabilidad de implementación del diseño propuesto.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. Antecedentes
Los estudios previos al desarrollo de esta investigación inician en el 2006 con el
dimensionamiento de separadores bifásicos o trifásicos a cargo de Requena, para lo cual
se diseñó un programa computacional que permitiera determinar las variables principales
que intervenían en el proceso tales como: longitud del separador, diámetro, ubicación de
entrada y salida de fluidos. Además el programa también realizó la evaluación de la taza
de producción estableciendo características específicas de las variables de diseño y
parámetros de producción como la presión, gravedad específica, temperatura, entre otras
que dieron como resultado la selección adecuada del separador basada en los todos los
parámetros de operación y diseño mencionados4.
En el 2008 Herrera realizó un estudio de los problemas asociados con los procesos
de separación en plantas típicas de compresión de gas natural, donde se plantearon
diversos esquemas que permitieran la mayor recuperación de líquidos y de esa forma
mejorar el rendimiento de la operación en la planta.
Inicialmente se recopilo información referente a la separación flash en los equipos de
compresión por etapas, posteriormente se analizó la composición química de la corriente
de gas, se evaluaron los tres escenarios propuestos a través de simulaciones en Hysys
Plant 3.2. El primer escenario planteó que los líquidos que se generaban en los
depuradores del proceso (1,2 y 3) debían ir a un separador que operada a alta presión (100
psig). El segundo escenario propuso que después de ocurrido el primer escenario, el gas
proveniente del separador se reciclara hacia un depurador. Finalmente se analizaron los
parámetros arrojados por el simulador donde el escenario tres fue el que dio mejores
resultados incorporando los líquidos del depurador de la etapa tercera en la entrada del
segundo y así en forma secuencial5.
4 REQUENA, José. Diseño y evaluación de separadores bifásicos y trifásicos. Trabajo de grado (Ingeniería
de Petróleo). Venezuela: Universidad Central de Venezuela. Facultad de ingeniería. 2006, p 33.
5 HERRERA, Bladimir. Estudio de los problemas asociados con el proceso de separación flash en las
plantas típicas de compresión de gas natural. Trabajo de grado (Ingeniería de Petróleo) Barcelona:
Universidad De Oriente. Departamento de ingeniería de petróleo. 2008, p 15.
Para el año 2009 Valderrama diseñó un separador bifásico (gas-petróleo) de tipo
horizontal, para lo cual se utilizaron las normas PDVSA y ASME de recipientes a presión.
Para la selección de las partes internas, se siguieron los lineamientos del “Manual de
diseño de procesos para tambores separadores líquido – vapor” de la PDVSA, para el
dimensionamiento de los espesores del cuerpo y cabezales se utilizó la sección VIII del
código ASME, seguidamente se elaboraron los planos de diseño y finalmente se
verificaron los cálculos realizados haciendo uso del programa ANSYS6.
Un análisis de irregularidades en compresores es realizado en el 2011 por Da
Silva, donde el objetivo del estudio consistió en familiarizar a los técnicos encargados
con as las piezas del equipo que sufrían cualquier tipo de fallas, además se buscó
perfeccionar la técnica de diagnóstico y corrección de problemas en del sistema. El autor
dejo claro que todos los sistemas están sujetos al calor, barniz, aceite decolorado y
desgastes naturales junto a cualquier tipo de contaminación, recomendó actualizar las
técnicas de mantenimiento y prevención de fallas ya que estas por lo general no se dan
propiamente en el equipo sino por fases previas o intervinientes en la operación de este7.
Por ultimo explico que una de las causas de fallas, es el golpe de líquido y este ocurre
como resultado de una válvula de expansión no debidamente súper dimensionada.
Siguiendo con la búsqueda de trabajos, en el 2013 Cruz realiza la adecuación de
un separador tipo knockout drum de la unidad de destilación al vacío para mejorar la
separación Gas- Condensado en la refinería de Talara, además de implementar
aditamentos que retiren el condensado del vapor. Para los cálculos requeridos se utilizó
la información operacional de la velocidad terminal de la mezcla de gases incondensables,
diámetro de partícula de la fase gaseosa, diámetro de partícula de condensado, ubicación
del eliminador de niebla, tiempo de residencia del condesado, entre otras. Por último se
obtuvo información asociada al sistema de separación de la refinería y el quemado de
gases en hornos8.
6 VALDERRAMA, Emilio. Diseño de un separador bifásico (gas–petróleo) de tipo horizontal para crudo.
Puerto de la Cruz: Universidad de Oriente. Escuela de ingeniería y ciencias aplicadas. 2009, p 10.
7 DA SILVA, Alessandro. Análisis de irregularidades en compresores. BITZER. 2011, p 10.
8 CRUZ, Melina. Adecuación del separador de unidad de destilación al vacío para mejorar la separación
gas-condensado en refinería Talara. Trabajo de grado (Ingeniero Petroquímico). Perú: Universidad
Nacional de ingeniería. Faculta de ingeniería de petróleo. 2013, p 39.
Para el mes de octubre de este mismo año en Quitó - Ecuador, Sánchez realizó
un estudio que lleva por nombre, descripción de los procesos y manejo de procedimientos
operativos y su control en la planta de tratamiento de crudo Shirley-B, en el cual se
describió el funcionamiento de los diferentes equipos de procesos instalados en la planta,
se presentó información de los tipos de fluidos que se manejan en la estación de
separación incluyendo datos de diseño del knockout drum, descripción del proceso de
separación de gas y finalmente se encontró que la que la planta se encuentra en buenas
condiciones estableciendo condiciones seguras para el personal operativo, medio
ambiente y los bienes de la empresa9.
Para el 2015 se realizó la evaluación de escenarios y determinación de
contingencia crítica para el diseño de un sistema de alivio de una planta destiladora de
crudo para la empresa Downstrems donde se describió la importancia y papel que juega
el knockout drum para proteger y evitar que la instalación sufra sobrepresión en equipos
y líneas de proceso, reteniendo los líquidos que eventualmente están en las corrientes para
ser retornados al inicio de proceso de la planta. Para diseñar el KOD se utilizó el código
americano ASME sección VIII, división 1 y para el dimensionamiento del equipo se
utilizó una hoja de cálculo que pudiera establecer las mejores condiciones para el nuevo
sistema de alivio10.
Finalizando el recorrido, en el 2017 de acuerdo con sistema de despresurización
de una terminal hidrocarburífera, se diseñó un tanque KOD por presión interna y externa
debido a recientes fallas en equipos similares. Dicho lo anterior se utilizó para el
dimensionamiento del KOD la norma API 521, y para partes a presión el ASME VIII Div.
2, Parte 4. Los materiales SA-516-70, SA-106-B, SA- 105 y SA-36 se utilizaron para
diseñar el equipo. Además, se utilizó el código AISC 7-10 para revisar el efecto de las
cargas de sismo y viento al tanque.
9 SANCHEZ, Christian. Descripción de los procesos y manejo de procedimientos operativos y su control
en la planta de tratamiento de crudo Shirley-B. Trabajo de grado (tecnólogo en petróleo) Quitó: Universidad
tecnológica equinoccial. Facultad de ciencias de la ingeniería. 2013, p 64.
10 LOPEZ, Alexis. Evaluación de escenarios y determinación de contingencia crítica para el diseño de un
sistema de alivio de una planta destiladora de crudo para la empresa Downstrems. Trabajo de grado
(ingeniería mecánica). Quitó: Escuela politécnica nacional. Facultad de ingeniería mecánica. 2015, p 67.
Como resultado se obtuvo un KOD de 2.5 metros 6 metros de longitud, el espesor
del cuerpo cilíndrico fue de 19.05 mm, mientras los cabezales de 11.43 mm, con un peso
105,000 N y el recipiente cumplió con el código como se espera11.
2.2. Marco Teórico
2.2.1. Descripción de la unidad de Hidrotratamiento de Diésel
El principal objetivo de la unidad de Hidrotratamiento es producir diésel de bajo
azufre, y cumplir las especificaciones del mercado nacional e internacional en cuanto al
contenido de azufre. Las unidades U1 Y U2 son licenciadas por Honeywell UOP,
Universal Oil Productsy tienen capacidad de 35000 bbl/d cada una, normalmente una de
las U1/2 operara para producir diésel calidad local y la otra para producir diésel calidad
de exportación. En la figura 1 y dos se muestra el diagrama de bloques y el diagrama de
control general del proceso.
Figura 1. Diagrama general de bloque del proceso.
11 VELASCO, Stalin. Diseño de un recipiente separador Gas-Líquido Knock Out Drum bajo la normativa
ASME VIII División 2. Trabajo de grado (ingeniería mecánica). Ecuador: Escuela superior politécnica del
litoral. Facultad de ingeniería mecánica y ciencias de la producción. 2017, p 35.
Figura 2. Diagrama Unidad Hidrotratamiento Diésel
A continuación, en la figura 3 y 4 se presentan las zonas de interés para el desarrollo
del presente proyecto siendo estas, la de compresión y amina. Abarcando principalmente para
la instalación del sistema de separación, el camino existente entre la salida de la torre de
lavado de gas de reciclo y la entrada al compresor.
Estas secciones forman parte del sistema de hidrogeno de reciclo donde El H2 de
reciclo en el Separador Frío HP se enfría aún más en el enfriador de gas de reciclo antes de
canalizarse al tambor separador de despojadora de gas de reciclo para separar el líquido que
podría condensarse.
Desde el Tambor Separador, el gas de reciclo se canaliza hacia la despojadora de gas
de reciclo para retirar el ácido sulfúrico. El gas libre de H2S se comprime mediante el
compresor de gas de para el reciclo del reactor. El compresor de gas de reciclo es un
compresor centrifugo propulsado a motor con obturación de succión. Se realizan las
siguientes conexiones en el compresor del gas de reciclo:
Una línea en la succión permite la ventilación de gas de reciclo a recuperación
de hidrogeno
Conexión anti-acumulación
Hidrogeno de reciclo para quench de reactor (no se requiere calentamiento
adicional)
Hidrogeno de reposición
La conexión principal de hidrogeno de reciclo se canaliza hacia la carga después de
precalentamiento en varios intercambiadores ya descritos. La despojadora de gas de reciclo
utiliza una solución 40% MDEA para retirar el ácido sulfúrico, mejorando así la presión
parcial de hidrogeno y minimizando la supresión de actividad del catalizador mediante H2S.
La despojadora de gas de reciclo se equipa con 16 platos y se apila sobre el tambor separador
de reciclo. La corriente de gas de reciclo se introduce en el fondo de la despojadora y la amina
liviana se ingresa a la parte superior (contacto de contra-corriente).
Figura 3. Sección de compresión y reciclo de hidrogeno
Figura 4. Sección de Amina
2.2.2. Compresores
2.2.2.1. Compresores centrífugos
En los compresores centrífugos, el desplazamiento del fluido es esencialmente radial.
El compresor consta de uno o más impulsores y de números de difusores, en los que el fluido
se desacelera. El fluido aspirado por el centro de una rueda giratoria, ojo del impulsor, es
impulsado por los álabes de ésta y debido a la fuerza centrífuga, hacia los canales del difusor.
Después que la energía cinética se ha convertido en presión, el fluido es conducido hacia el
centro del próximo impulsor y así sucesivamente.
Las velocidades de funcionamiento son bastantes altas comparadas con otros
compresores. La gama comprendida entre 50.000 – 100.000 r.p.m. es bastante frecuente en
industrias aeronáuticas y especiales donde el peso es un factor dominante. Los compresores
centrífugos, con velocidades próximas a las 20.000 r.p.m. suele ser la gama comercial más
común, aun cuando están fabricando con velocidades un tanto mayores.
Debido a las elevadas velocidades con que se construyen los compresores dinámicos
de tamaño medio, se utilizan cojinetes amortiguadores inclinados o abiertos en lugar de los
rodillos, que son los que se incorporan a los compresores de desplazamiento. El caudal
mínimo de un compresor centrífugo, está limitado principalmente por el flujo de la última
etapa (ver figura 5)12.
12 HERRERA, Bladimir. Estudio de los problemas asociados con el proceso de separación flash en las plantas
típicas de compresión de gas natural. Trabajo de grado (Ingeniería de Petróleo) Barcelona: Universidad De
Oriente. Departamento de ingeniería de petróleo. 2008, p 75.
Figura 5. Compresor centrifugo
2.2.2.2. Sello mecánico
Un sello mecánico consiste esencialmente de una restricción axial donde se reduce la
presión del fluido a ser sellado (generalmente hasta la presión atmosférica) a través de la
separación de sellado. Se distingue entre sellos mecánicos lubricados con líquido y sellos
mecánicos lubricados con gas de acuerdo al estado físico del fluido a ser sellado. La
separación de sellado se establece entre dos superficies anulares de rozamiento, las cuales
están alrededor y perpendiculares al rotor las cuales están completamente juntas o bien
ligeramente separadas una de otra por la película del fluido líquido o gaseoso a sellar13.
Como los sellos secos de gas se utilizan principalmente en compresores, están
descriptos en el estándar API 617 que corresponde a los compresores. Pero como los sellos
secos de gas también se utilizan en bombas, también están descriptos en el estándar API 682
que corresponde a los sellos mecánicos para bombas.
13 SELLOS MECÁNICOS. Sellos Mecánicos Principio de Operación, Tipos Principio de Operación, Tipos y
Aplicaciones y Aplicaciones. [En línea].
<.https://alvaradosignorelli.files.wordpress.com/2012/05/principios_sellos-mecanicos.pdf> [citado en 22 de
Junio 2018].
Figura 6. Sello mecánico14
2.2.3. Principios de separación
En el diseño de separadores es necesario tomar en cuenta los diferentes estados en
que pueden encontrarse los fluidos y el efecto que sobre éstos puedan tener las diferentes
fuerzas o principios físicos. Los principios fundamentalmente considerados para realizar la
separación física de vapor, líquidos o sólidos son: la fuerza de gravedad, la fuerza centrífuga
y el choque de partículas o coalescencia. Toda separación puede emplear uno o más de estos
principios, pero siempre las fases de los fluidos deben ser inmiscibles y de diferentes
densidades para que ocurra la separación15.
2.2.3.1. Separación gas-liquido
En el caso de mezclas gas-líquido, la mezcla de fases entra al separador y, si existe,
choca contra un aditamento interno ubicado en la entrada, lo cual hace que cambie el
momento de la mezcla, provocando así una separación de las fases. Seguidamente, en la
sección de decantación (espacio libre) del separador, actúa la fuerza de gravedad sobre el
fluido permitiendo que el líquido abandone la fase vapor y caiga hacia el fondo del separador
(sección de acumulación de líquido). Esta sección provee del tiempo de retención suficiente
14 Ibíd., pág. 21.
15 RODRIGUEZ, Mauricio. Diseño y evaluación de separadores bifásicos y trifásicos. Trabajo de grado
(Ingeniería de Petróleo). Caracas: Universidad central de Venezuela. 2006, p 29.
para que los equipos aguas abajo pueden operar satisfactoriamente y, si se ha tomado la
previsión correspondiente, liberar el líquido de las burbujas de gas atrapadas16.
2.2.3.2. Etapas de separación17
Sección Primaria
Sección Secundaria
Sección de Extracción de Neblina
Segregación Final
2.2.3.2.1. Sección primaria
La corriente de fluidos que entra al separador proviene a alta velocidad, lo que
ocasiona una turbulencia entre la fase gaseosa y la fase líquida. Debido a esto, se debe disipar
el gran impulso que posee la corriente de fluidos a la entrada del separador. Para reducir el
impulso y disminuir la turbulencia se puede utilizar una placa desviadora o cualquier otra
técnica la cual induzca una fuerza centrífuga al flujo con la cual se separen volúmenes de
líquido del gas.
2.2.3.2.2. Sección Secundaria
El principio más importante de la separación en esta sección es la decantación del
líquido por gravedad desde la corriente de gas, una vez reducida su velocidad. La eficiencia
en esta sección depende de las propiedades del gas y del líquido, del tamaño de las partículas
y del grado de turbulencia del gas. El grado de turbulencia debe ser reducido al mínimo, éste
se mide por medio del número de Reynolds, algunos diseños incluyen desviadores internos
para reducir la turbulencia y disipar la espuma. Los desviadores pueden actuar también como
colectores de gotas.
2.2.3.2.3. Sección de Extracción de neblina
Aquí se separan las minúsculas partículas del líquido que aún contiene el gas, la
mayoría de los separadores utilizan, como mecanismo principal de extracción de neblina, la
fuerza centrífuga o el principio de choque. En ambos métodos, las pequeñas gotas de líquido
16 Ibíd., pág. 31. 17 Ibíd., pág. 33
se separan de la corriente de gas en forma de grandes gotas (coalescencia), que luego caen a
la zona de recepción de líquido.
2.2.3.2.4. Segregación final
En esta etapa se procede a descargar los diferentes fluidos, gas libre de líquido y
líquido libre de gas, a las condiciones de operación establecidas evitando la reagrupación de
las partículas de las distintas fases y la formación de espuma. Para que esto ocurra es
necesario un tiempo mínimo de retención de líquido y un volumen mínimo de alimentación.
Puede colocarse un rompe vórtices sobre la(s) boquilla(s) de salida del líquido para prevenir
el arrastre de gas o petróleo por el líquido residual.
2.2.3.3. Knock Out
Los separadores, conocidos como KOD , son claves dentro de cualquier sistema de
venteo. Estos recipientes son horizontales y todas las lineas que van a la antorcha deben ser
enviadas al KOD para que el liquido condensado drene en el recipiente.18.
Figura 7. Recipiente separador de líquido KOD
2.3. Marco Legal
Para la realización del presente proyecto se deben tener en cuenta las siguientes normas que
rigen la industria del petróleo y el diseño de equipos intervinientes en esta área. Haciendo
énfasis principalmente en los códigos ASME de calderas y recipientes a presión para el
18 LOPEZ, Alexis. Evaluación de escenarios y determinación de contingencia crítica para el diseño de un
sistema de alivio de una planta destiladora de crudo para la empresa Downstrems. Trabajo de grado (ingeniería
mecánica). Quitó: Escuela politécnica nacional. Facultad de ingeniería mecánica. 2015, p 67.
diseño mecánico del separador KNO y API para el manejo de velocidad critica del gas en el
proceso.
AFIAP Association Fancaise des ingonieurs Appareis Pression
ANSI American National Standards Institute.
API American Petroleum Institute
ASME
American Society of Mechanical Engineers, Boiler and presure
Vassel Code (código de calders y recipientes a presión de la ASME)
Div I y II
DIN Deutsches Institut fur Normung
ISO International Standard Organization
NBIC National Board Inspection Code. Código de inspección utilizado por
el inspector de los equipos sometidos a presión.
Tabla 1. Marco legal del proyecto
2.4. Marco conceptual
MEDEA: La metil dietanol amina es un líquido claro, incoloro o líquido amarillo pálido
con olor amoniacal. Es miscible con agua, alcohol y benceno. La metil dietanol amina es
generalmente conocida como MDEA.
KNO: Es un separador de vapor y líquido es un dispositivo utilizado en varias aplicaciones
industriales para separar una mezcla vapor-líquido.
Un separador de vapor y líquido también puede denominarse tambor de evaporación
instantánea, rompevirutas, tambor extraíble o macetero extraíble, tambor de succión del
compresor o tambor de entrada del compresor. Cuando se usa para eliminar las gotas de agua
suspendidas de las corrientes de aire, a menudo se denomina termistor.
Hidrotratamiento: Se trata normalmente de reacciones de hidrogenación utilizando hidrógeno
gaseoso sobre mezclas de sustancias, generalmente complejas. Al tratarse de reacciones
industriales es habitual el uso de catalizadores, alta temperatura o calor, o combinaciones de
los mismos
3. DISEÑO METODOLOGICO
3.1. Tipo de Investigación
Se adopta una investigación de tipo proyectiva, ya que tiene como objetivo diseñar o
crear respuestas dirigidas a resolver determinadas situaciones, en este caso se hace referencia
al tambor de succión para lo cual será necesario recopilar toda la información operacional
referente al área de estudio para el dimensionamiento adecuado del equipo. Los proyectos de
arquitectura e ingeniería, el diseño de equipos, entre otros son ejemplos de investigación
proyectiva, este tipo de investigación potencia el desarrollo tecnológico.
3.2. Enfoque Adoptado
En la presente investigación se adopta un enfoque mixto ya que combina el tipo
cuantitativo permitiendo realizar una medición numérica, hacer análisis estadístico, modelos
matemáticos para los cálculos requeridos en el diseño del separador y el enfoque cualitativo
permite realizar la recolección de datos sin medición numérica analizando las situaciones que
se presenten para la toma de decisiones que se requieran.
3.3. Diseño Adoptado
En el presente trabajo se adopta un modelo de diseño no experimental, siendo este el
más apropiado, ya que permite realizar la toma de datos sin manipular deliberadamente las
variables. Permitiendo observar fenómenos tal y como se dan en su contexto natural, para
después analizarlos.
3.4. Técnicas de Recolección de Información
3.4.1. Fuentes de Información Primaria
Las fuentes de información primaria de esta investigación corresponden a los
diagramas de procesos, información operacional de los equipos involucrados en la sección
de compresión y amina junto todos los demás datos pertenecientes a la unidad de estudio,
unidad U-108 de Hidrotratamiento de diésel donde se podrán observar los puntos clave para
la realización del diseño del sistema de separación (knockout drum).
3.4.2. Fuentes de Información Secundaria
Las fuentes de información segundaria de esta investigación corresponden a una
recopilación bibliográfica de artículos, libros, trabajos de grados, sitios web que permitan
fortalecer y mejorar el enfoque de la investigación.
3.5. Hipótesis del Trabajo
Los parámetros técnicos, conceptuales, y económicos que se tendrán en cuenta para
el diseño conceptual de un sistema de separación (knockout drum) en una unidad de
Hidrotratamiento de diésel de Cartagena, evitará el deterioro de los sellos en el compresor.
Por consiguiente, no serán requeridas paradas de planta y la empresa no tendrá que asumir
los costos extras por daños en el equipo.
3.5.1. Hipótesis nula
El diseño conceptual de un sistema de separación (knockout drum) de una unidad de
Hidrotratamiento de diésel de Cartagena, no podrá evitar el deterioro de los sellos en el
compresor en su totalidad.
3.6. Variables
Variables independientes
Temperatura de operación
Presión de operación
Variables dependientes
Velocidad Critica del gas
Velocidad de asentamiento de las gotas de liquido
3.7. Operacionalizacion de Variables
VARIABLES DEFINICION DIMENSION INDICADORES
Temperatura Temperatura a la cual opera
el KNO útil para el cálculo
de propiedades
Temperatura
inicial
Temperatura
final
°F
Presión Presión de operación del
KNO
Presión inicial
Presión final
PSI
Velocidad
critica
Velocidad máxima
permisible del gas dentro del
tambor
Vc del vapor Vc
velocidad de
asentamiento
velocidad con la que las
gotas abandonan la fase
gaseosa
Vi del gas Vi
Tabla 2. Operacionalizacion de variables
3.8. Procesamientos de la Información
La información obtenida y recopilada para el desarrollo de la investigación será
presentada por medio de gráficas, tablas, cuadros, figuras, diagramas, y serán utilizadas
técnicas de análisis para datos como las técnicas estadísticas descriptiva como la moda, la
media, la mediana, la regresiva y técnicas estadísticas inferencial multivariada.
3.9. Plan de Trabajo
3.9.1. Revisión Bibliográfica
En esta fase se recolectará toda la información referente al tipo de separador a diseñar,
siendo esta de dos fases, gas-liq. Además, será recolectada toda la información operacional,
diagramas de control, planos de los equipos involucrados en el sistema, haciendo referencia
al compresor C-001 de la sección de compresor y reciclo de hidrogeno, la torre de lavado de
gas de reciclo y el tambor de amina rica para el retorno de líquidos en la sección de amina.
También Serán incluidos los artículos, trabajos de grados o documentos web que sean de
utilidad para el diseño a proponer.
3.9.2. Selección de Parámetros que Intervienen en el Diseño del Separador
A los efectos de diseño de un separador se deben considerar los parámetros que
afectan el comportamiento del sistema. Se analizará las propiedades de los fluidos, las cuales
derivan el comportamiento de las fases que se separan cuando la mezcla de hidrocarburo
entra al recipiente. Las características del gas y del líquido dentro de la unidad intervienen
de manera directa en el dimensionamiento. Dentro de estos parámetros se encuentran:
Presión, temperatura y tasa de gas.
3.9.3. Propiedades de los Fluidos
Viscosidad.
Gravedad específica.
Densidad.
Gravedad API.
Factor de compresibilidad (z).
3.9.4. Parámetros a Determinar para el Dimensionamiento de Separadores
Es fundamental determinar ciertas características geométricas para obtener una
separación eficiente de los fluidos provenientes del pozo, por lo tanto se necesita definir:
Capacidad de gas.
Capacidad de líquido.
Diámetro del separador.
Longitud del separador.
Dimensión y ubicación de las distintas boquillas del separador y el dispositivo
extractor de neblina.
Las características de dimensionamiento deben satisfacer las necesidades de
producción tomando en cuenta el menor costo posible, para tal fin es recomendable aumentar
la longitud que el diámetro.
3.9.5. Secuencia para el diseño de separadores19
En el diseño de separadores intervienen muchos parámetros, se requiere unos datos
de entrada, los cuales permiten el desarrollo de una serie de cálculos, que llevan a obtener el
separador o varios de separadores que cumplen con las exigencias de operación (dependiendo
el caso), el operador debe estar en la capacidad de elegir él más adecuado y la normas a las
cuales se ciñe la secuencia propuesta corresponde a las señaladas en el código ASME DIV I
y II (ver figura 8.).
Figura 8. Secuencia para el diseño de separadores bifásicos
19 RODRIGUEZ, Mauricio. Diseño y evaluación de separadores bifásicos y trifásicos. Trabajo de grado
(Ingeniería de Petróleo). Caracas: Universidad central de Venezuela. 2006, p 49.
4. RESULTADOS
4.1. Propiedades Físicas del Alimento
La corriente de alimento se encuentra constituida en su mayor medida por hidrogeno
(fase gaseosa) y MDEA (metil dietanolamina).
El flujo másico de hidrogeno corresponde a 23595 lb/h (10702.51 kg/h), mientras que
el flujo másico de MDEA corresponde a 4047.302 lb/h (1835.824 kg/h), lo que representa
una concentración másica del 14.64% MDEA, obtenido de diagramas de procesos e informes
reales de la planta.20
Las condiciones de operación del equipo serán las siguientes, las cuales están
establecidas por el mismo proceso21:
𝑇 = 118 º𝐹 (47.78 º𝐶)
𝑃 = 1072 𝑃𝑆𝐼 (7391.18 𝑘𝑃𝑎)
Por lo cual las propiedades físicas del alimento serán calculadas a estas mismas
condiciones de presión y temperatura.
Hidrogeno
𝜌𝑔 = 0.3312𝑙𝑏
𝑓𝑡3 (5.30531
𝑘𝑔
𝑚3)
𝜇𝑔 = 0.009477 𝑐𝑃
𝑚𝑔 = 10702.51𝑘𝑔
ℎ
𝑄𝑔 = 2017.32𝑚3
ℎ
20 2 ECOPETROL S.A. U-108 Unidad de Hidrotratamiento de Diésel. Curso de la Unidad. Colombia. 2017.
MDEA
𝜌𝑙 = 63.2113𝑙𝑏
𝑓𝑡3 (1012.548
𝑘𝑔
𝑚3)
𝜇𝑙 = 32.11 𝑐𝑃
𝑇𝑠(𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) = 36.5648 𝑑𝑦𝑛
𝑐𝑚 (0.03656
𝑁
𝑚)
𝑚𝑙 = 1835.824 𝑘𝑔
ℎ
𝑄𝑙 = 1.813 𝑚3
ℎ
Velocidad Critica (𝒗𝒄)
La velocidad crítica es una velocidad de vapor calculada empíricamente utilizando la
ecuación de Souders-Brown, se utiliza para asegurar que la velocidad de vapor a través del
tambor separador, sea lo suficientemente baja para prevenir un arrastre excesivo de líquido.22
𝑣𝑐 = 𝑘√𝜌𝑙 − 𝜌𝑔
𝜌𝑔 𝐸𝑐. 1
Donde:
𝑘: 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎𝑠
𝑆. 𝐼. (0.048) 𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑔𝑙𝑒𝑠𝑎𝑠 (0.157)
𝜌𝑙: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜌𝑔: 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑘𝑔
𝑚3,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
22 PDVSA. Manual de diseño de procesos, separadores liquido-vapor. Venezuela. 2015
𝑣𝑐 = 0.048√1012.548
𝑘𝑔𝑚3 − 5.30531
𝑘𝑔𝑚3
5.30531𝑘𝑔𝑚3
𝒗𝒄 = 𝟎. 𝟔𝟔𝟏𝟒 𝒎
𝒔
Velocidades por debajo de este valor aseguraran que el gas no arrastre líquido.
Conociendo la velocidad máxima del gas, podemos determinar el diámetro mínimo
requerido del tambor de succión:
𝐷𝑚𝑖𝑛 = √4𝜋 𝑄𝑔
𝐹𝑔𝑣𝑐 𝐸𝑐. 2
Donde:
𝑄𝑔 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑚3
ℎ,𝑓𝑡3
ℎ)
𝐹𝑔 = 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠
(𝐹𝑔 = 1, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠)
𝑣𝑐 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑚
ℎ,𝑓𝑡
𝑠)
𝐷𝑚𝑖𝑛 = √
4𝜋 (2017.32
𝑚3
ℎ)
(1) (0.6614 𝑚𝑠 ) (
3600 𝑠1 ℎ
)
𝑫𝒎𝒊𝒏 = 𝟏. 𝟎𝟕𝟗 𝒎
El área de flujo de vapor correspondiente a la velocidad crítica se determina de la
siguiente manera:
𝐴𝑣𝑐 =𝜋
4𝐷𝑚𝑖𝑛
2 𝐸𝑐. 3
𝐴𝑣𝑐 =𝜋
4(1.079 𝑚)2
𝐴𝑣𝑐 = 0.847 𝑚2
Velocidad de Asentamiento (𝒗𝒍)
La velocidad con la que las gotas de líquido abandonan la fase continua (gas) dentro
del separador se calcula con la siguiente ecuación23:
𝑣𝑙 = 1.15√𝑔𝐷𝑙(𝜌𝑙 − 𝜌𝑔)
𝜌𝑔𝐶 𝐸𝑐. 4
Donde:
𝑔 = 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 (9.8 𝑚
𝑠2 , 32
𝑓𝑡
𝑠2)
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝐷𝑙 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚, 𝑓𝑡)
𝐶 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑟𝑒
El diámetro de las gotas de líquido (MDEA) se calcula con la siguiente ecuación24:
𝐷𝑙 = 2√3𝑇𝑠
2𝑔𝜌𝑙 𝐸𝑐. 5
Donde:
𝑇𝑠 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑁
𝑚)
23 API. Pressure-relieving and depressuring systems, Standard 521 sixth edition. 2015. 24 SALAGER, Jean. Métodos de medición de la tensión superficial o interfacial. Módulo de enseñanza en
fenómenos interfaciales. Universidad de los Andes. Venezuela. 2005.
𝐷𝑙 = 2√3 (0.03656
𝑁𝑚)
2 (9.8 𝑚𝑠2) (1012.548
𝑘𝑔𝑚3)
𝐷𝑙 = 0.0047 𝑚
𝑫𝒍 = 𝟎. 𝟒𝟕 𝒄𝒎
Para determinar el coeficiente de arrastre de la fase vapor hacia la fase liquida se
realizo un proceso iterativo utilizando las siguientes ecuaciones25:
𝑣𝑙 = 1.15√𝑔𝐷𝑙(𝜌𝑙 − 𝜌𝑔)
𝜌𝑔𝐶 𝐸𝑐. 6
𝑅𝑒 =𝑣𝐷𝑙𝜌𝑔
𝜇𝑔 𝐸𝑐. 7
Coeficiente de arrastre26:
𝐶 =24
𝑅𝑒+
6
√𝑅𝑒+ 0.34 𝐸𝑐. 8
𝑅𝑒 ≤ 2𝑥105
Donde:
𝐷𝑙 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚, 𝑓𝑡)
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜌𝑙 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜇𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑐𝑃)
25 REQUENA, José. Diseño y evaluación de separadores bifásicos y trifásicos. Tesis de grado (Ingeniero de
petróleo) Venezuela: Universidad Central de Venezuela. 2006. 26 WHITE, F. “Viscous fluid flow”. McGraw-Hill, Inc. 1991.
𝑣𝑙 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑚
𝑠,𝑓𝑡
𝑠)
𝐶 =24
𝑅𝑒+
3
√𝑅𝑒+ 0.34
𝑪 = 𝟐𝟔. 𝟒𝟏𝟔
Con lo que se tiene que la velocidad de asentamiento de las gotas de líquido es de:
𝑣𝑙 = 1.15√(9.8
𝑚𝑠2) (0.0047 𝑚) (1012.548
𝑘𝑔𝑚3 − 5.30531
𝑘𝑔𝑚3)
(5.30531𝑘𝑔𝑚3) (26.416)
𝒗𝒍 = 𝟎. 𝟔𝟔𝟏𝟖𝒎
𝒔
𝐷𝑙 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚, 𝑓𝑡)
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑘𝑔
𝑚3 ,
𝑙𝑏
𝑓𝑡3)
𝜇𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑐𝑃)
𝐷𝑙 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚 , 𝑓𝑡)
Factor de Compresibilidad (z)
Es la relación entre el volumen ocupado por un gas real y el volumen ocupado por él
en las mismas condiciones de temperatura y presión si fuera ideal27.Este factor puede ser
calculado utilizando ecuaciones matemáticas, o mediante un software de simulación, para el
hidrogeno, a las condiciones de proceso el factor de compresibilidad tiene un valor de:
𝒁 = 𝟏. 𝟎𝟑𝟖𝟑
27 CENGEL, Yunus. Termodinámica, sexta edición. Editorial McGrawHill. 2009
Dimensionamiento del Separador
Por consideraciones de diseño la velocidad del gas se fijara en 80% de la velocidad
crítica del gas28.
𝑣𝑔 = 0.8 (0.6614 𝑚
𝑠)
𝒗𝒈 = 𝟎. 𝟓𝟐𝟗𝟏𝟐𝒎
𝒔
Con lo que el diámetro interno del separador será:
𝐷𝑖 = √4𝜋 𝑄𝑔
𝐹𝑔𝑣𝑔 𝐸𝑐. 9
Donde:
𝑄𝑔 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑚3
ℎ,𝑓𝑡3
ℎ)
𝐹𝑔 = 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠
(𝐹𝑔 = 1, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠)
𝑣𝑐 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 (𝑚
ℎ,𝑓𝑡
𝑠)
𝐷𝑖 = √
4𝜋 (2017.32
𝑚3
ℎ)
(1) (0.52912𝑚𝑠 ) (
3600 𝑠1 ℎ
)
𝑫 = 𝟏. 𝟑𝟒𝟖 𝒎
De igual manera, el área de flujo de gas se establece en:
𝐴𝑣 =4
𝜋𝐷𝑖
2
28 REQUENA, José. Diseño y evaluación de separadores bifásicos y trifásicos. Tesis de grado (Ingeniero de
petróleo) Venezuela: Universidad Central de Venezuela. 2006.
𝐴𝑣 =4
𝜋(1.348 𝑚)2
𝑨𝒗 = 𝟏. 𝟎𝟓𝟗 𝒎𝟐
Para determinar la altura tangente-tangente o longitud efectiva, se utiliza la siguiente
restricción para el diseño de tambores verticales29:
3 <𝐿𝑠𝑠
𝐷𝑖< 6
Normalmente esta relación se fija en 5, valor que será utilizado en este diseño.
𝐿𝑠𝑠 = 5𝐷𝑖
𝐿𝑠𝑠 = 5(1.348 𝑚)
𝑳𝒔𝒔 = 𝟔. 𝟕𝟒 𝒎
Con lo que el área superficial del cilindro será:
𝐴𝑠𝑢𝑝 = 𝜋𝐷𝑖𝐿𝑠𝑠 𝐸𝑐. 10
𝐴𝑠𝑢𝑝 = 𝜋(1.348 𝑚)(6.74 𝑚)
𝑨𝒔𝒖𝒑 = 𝟐𝟖. 𝟓𝟓 𝒎𝟐
El tiempo de retención de líquido, que corresponde al tiempo en el que el líquido que
se separa del gas tarda en evacuar el tambor de separación se fija en 10 minutos, el cual es
un tiempo adecuado para que los equipos aguas abajo operen de una manera adecuada30.
𝒕𝒓 = 𝟏𝟎 𝒎𝒊𝒏
Para el tiempo de retención establecido el volumen de líquido retenido es el siguiente:
𝑉𝑟 = 𝑄𝑙𝑡𝑟 𝐸𝑐. 11
29 Ibíd., pág 25. 30 VALDERRAMA, Emilio. Diseño de un separador bifásico (gas–petróleo) de tipo horizontal para crudo. Tesis
de grado (Ingeniería mecánica) Venezuela: Universidad de oriente, Escuela de ingeniería y ciencias aplicadas,
departamento de mecánica. 2009.
Done:
𝑄𝑙 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (𝑚3
ℎ,𝑓𝑡3
ℎ)
𝑡𝑟 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛 (ℎ)
𝑉𝑟 = (1.813 𝑚3
ℎ) (10 𝑚𝑖𝑛 ∗
1ℎ
60 𝑚𝑖𝑛)
𝑽𝒓 = 𝟎. 𝟑𝟎𝟐 𝒎𝟑
Diámetro de la Boquilla de Alimentación
Para determinar el diámetro de la boquilla de alimentación se hace uso de las
siguientes ecuaciones:
𝑉𝑏𝑜𝑞. =80
√𝜌𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎
𝐸𝑐. 12
𝜌𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑏
𝑓𝑡3
𝑉𝑏𝑜𝑞. = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑞𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑓𝑡
𝑠
La densidad de la mezcla en el alimento corresponde se determinó utilizando el
software de simulación CHEMCAD by chemstation, versión 6 free trial:
𝜌𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 0.3876𝑙𝑏
𝑓𝑡3
𝑉𝑏𝑜𝑞. =80
√0.3876𝑙𝑏
𝑓𝑡3
𝑉𝑏𝑜𝑞. = 128.49𝑓𝑡
𝑠
𝑽𝒃𝒐𝒒. = 𝟑𝟗. 𝟏𝟔𝟒𝒎
𝒔
Con lo que el diámetro de la boquilla de alimento es de:
𝐷𝑏𝑜𝑞. = √𝜋
4
(𝑄𝑙 + 𝑄𝑔)
𝑉𝑏𝑜𝑞. 𝐸𝑐. 13
𝐷𝑏𝑜𝑞. = √𝜋
4(
(1.813 𝑚3
ℎ+ 2017.32
𝑚3
ℎ)
39.164𝑚𝑠 ∗
3600 𝑠1ℎ
)
𝐷𝑏𝑜𝑞. = 0.106 𝑚
𝐷𝑏𝑜𝑞. = 4.17𝑖𝑛
El diámetro comercial más cercano es 5 pulgadas.
𝑫𝒃𝒐𝒒. = 𝟓 𝒊𝒏
Diámetro de la Boquilla de Salida del Gas
La velocidad del gas a la salida es:
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑔 =80
√𝜌𝑔
𝐸𝑐. 14
𝜌𝑔 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑒𝑛𝑙𝑏
𝑓𝑡3
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑔 =80
√0.3312 𝑙𝑏
𝑓𝑡3
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑔 = 139.009𝑓𝑡
𝑠
𝑽𝒃𝒐𝒒.𝒈 = 𝟒𝟐. 𝟑𝟕𝒎
𝒔
Esta velocidad corresponde a la velocidad máxima del gas en la boquilla de salida, con lo
que se obtiene el siguiente diámetro para la tubería.
El diámetro de la boquilla para la salida de gas (parte superior del tambor) es:
𝐷𝑏𝑜𝑞.𝑔 = √𝜋
4
𝑄𝑔
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑔 𝐸𝑐. 15
𝐷𝑏𝑜𝑞.𝑔 = √𝜋
4(
2017.32𝑚3
ℎ
42.37𝑚𝑠 ∗
3600 𝑠1ℎ
)
𝐷𝑏𝑜𝑞.𝑔 = 0.1019 𝑚
𝐷𝑏𝑜𝑞.𝑔 = 4.01 𝑖𝑛
El diámetro comercial más cercano es 5 pulgadas.
𝑫𝒃𝒐𝒒.𝒈 = 𝟓 𝒊𝒏
Diámetro de la Boquilla de Salida del Líquido
𝑫𝒃𝒐𝒒.𝒍 = 𝟑 𝒊𝒏 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟔𝟐 𝒎
La velocidad de salida del líquido corresponde con los requerimientos del tanque de
amina rica, al cual se alimentan 100 gpm (22.71 m3/h) de MDEA, del tambor separador se
obtendrá un flujo de líquido de 1.813 m3/h, lo que corresponde al 7.98 % del flujo total que
se requiere en el tanque de amina.
Por lo que la velocidad del líquido (parte inferior del separador) es:
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑙 = 0.0798𝑄𝑙
𝐴𝑏𝑜𝑞.𝑙 𝐸𝑐. 16
𝑉𝑏𝑜𝑞.𝑙 = 0.079822.71
𝑚3
ℎ𝜋4 (0.0762 𝑚)2
𝑽𝒃𝒐𝒒.𝒍 = 𝟑𝟗𝟕. 𝟑𝟗𝒎
𝒉= 𝟎. 𝟏𝟏
𝒎
𝒔
Altura de la Boquilla de Alimentación
Para propiciar una separación adecuada de las fases por acción de la gravedad, la
altura de la boquilla de alimentación se colocara a la altura de 0.5Di de la altura normal del
líquido, lo que asegura que cualquier partícula de líquido que sea arrastrada por la fase vapor
sea retirada por la acción de la gravedad31.
ℎ𝑏𝑜𝑞 = 0.5𝐷𝑖
ℎ𝑏𝑜𝑞 = 0.5(1.348 𝑚)
𝒉𝒃𝒐𝒒 = 𝟎. 𝟔𝟕𝟒 𝒎
Altura desde fondo hasta la boquilla de alimentación
ℎ𝑏𝑜𝑞.𝑡 = ℎ𝑏𝑜𝑞 + ℎ𝑙
ℎ𝑏𝑜𝑞.𝑡 = ℎ𝑏𝑜𝑞 +𝑽𝒓
𝜋4 𝐷𝑖
2 𝐸𝑐. 17
ℎ𝑏𝑜𝑞.𝑡 = 0.674 𝑚 +0.302 𝑚3
𝜋4 (1.348 𝑚)2
𝒉𝒃𝒐𝒒.𝒕 = 𝟎. 𝟖𝟖𝟔 𝒎
Eliminador de Niebla
El eliminador de niebla seleccionado fue “Stainless steel demister pad ASY, 304SS”
en acero inoxidable 304, del catálogo del fabricante “BOEGER”, las especificaciones del
eliminador de niebla se mencionan en la Tabla 1.
Algunos de los criterios tenidos en cuenta para su selección fueron:
Diseños de equipos anteriores, en equipo ya en funcionamiento se utilizan
eliminadores de niebla con características similares en condiciones de operación
similares.
Eficiencia del separador, la cual supera el 95% para los tamaños de gotas a tratar.
31 SHELL. Gas/Liquid separators - type selection and design rules. 2007.
Material de construcción, ya que las condiciones de operación pueden ser propicias
para la corrosión.
Principal campo de aplicación, ya que este tipo de eliminadores de niebla se utilizan
principalmente en separadores bifásicos en la industria de hidrocarburos.
Stainless steel demister pad ASY, 304SS, KOD 95-301
Description: Demister pad assembly fuel gas knockout drum.
Drawing No.: 2207V131.
Material: 304SS.
Thickness: 200 mm.
Density: 144 kg/m.
Vessel ID No.: 1500 mm.
Equipment tag No.: QCC-01-AUX-95-301.
Efficiency: 99 % for particles of 3 micron and larger.
With support rin/ grid, the wire and holding fasteners pad shall be in
section.
KOD operation conditions given below: fluid; fuel gas.
Tabla 1. Especificaciones del eliminador de niebla32
El eliminador de niebla debe ser colocado a la siguiente altura desde la parte superior
del tambor33:
ℎ𝑛 =𝐷𝑖
2−
𝐷𝑏𝑜𝑞.𝑔
2 𝐸𝑐. 18
ℎ𝑛 =1.348 𝑚
2−
0.127 𝑚
2
𝒉𝒏 = 𝟎. 𝟔𝟏𝟎𝟓 𝒎
32 BOEGGER. Proveedores y fabricantes de eliminadores de niebla. [En línea]. <http://www.mist-
eliminator.org/mist-eliminator/pad-mist-eliminators.html> [citado en 22 de junio 2018]. 33 AMACS. The engineered mist eliminator. [En línea]. <https://www.amacs.com/wp-
content/uploads/2012/09/AMACS-Mist-Eliminator-Brochure6.pdf/> [citado en 22 de junio 2018]
Diseño Mecánico del Tambor
Espesor del cuerpo
El espesor de diseño del cuerpo del tanque KNO por presión interna se calculará por
medio de la ecuación 2.3.2 tomada del ASME VIII División 2, párrafo 4.3.3.1.
El material de construcción del tanque es acero al carbono SA-516 grado 70, material
utilizado en la construcción de equipos que operan con las sustancias mencionadas en este
trabajo34.Este acero es utilizado en la construcción de recipientes a presión, debido a su
capacidad para resistir elevadas presiones a diferentes temperaturas de USO.
𝑡𝑠 =𝐷
2(exp [
𝑃𝑑
𝑆𝐸] − 1) + 𝑡𝑐 𝐸𝑐. 19
𝑃𝑑 = 1.1𝑃𝑜
Donde:
𝑡𝑠 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 (𝑚𝑚)
𝐷𝑖 = 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 (𝑚𝑚) (1348 𝑚𝑚)
𝑃𝑑 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 (𝑘𝑃𝑎)
𝑃𝑜 = 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑘𝑃𝑎)
𝑆 = 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑀𝑃𝑎)
𝐸 = 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 (0.85)
𝑡𝑐 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 (𝑚𝑚) (0.125 𝑖𝑛 = 3.175 𝑚𝑚)
La presión de diseño calculada corresponde a:
𝑃𝑑 = 1.1(7391.18 𝑘𝑃𝑎)
𝑷𝒅 = 𝟖𝟏𝟑𝟎. 𝟐𝟗𝟖 𝒌𝑷𝒂
34 ECOPETROL S.A. U-108 Unidad de Hidrotratamiento de Diésel. Curso de la Unidad. Colombia. 2017.
Figura 1. Esfuerzo máximo permisible de algunos metales comunes35
Para acero al carbono a la temperatura de operación (47.78 ºC), el esfuerzo máximo
permisible se obtiene de la figura 1.
𝑆 = 17500 𝑝𝑠𝑖 = 120658.3 𝑘𝑃𝑎
El espesor del cilindro para la presión de operación es:
𝑡𝑝 =1348 𝑚𝑚
2(exp [
8130.298 𝑘𝑃𝑎
(120658.3 𝑘𝑃𝑎)(0.85)] − 1) + 3.175 𝑚𝑚
𝒕𝒑 = 𝟓𝟓. 𝟔𝟏 𝒎𝒎
35 ASME. Boiler and pressure vessel code, Sec VIII Div. I. 2013
Espesor de los Cabezales (Semielipticos)
El espesor de diseño de cabezales por presión interna se calculará por medio de la
siguiente ecuación tomada del ASME VIII División 2, párrafo 4.3.5.1:
El material de construcción de los cabezales es acero al carbono SA-516 grado 70,
material utilizado en la construcción de equipos que operan con las sustancias mencionadas
en este trabajo.
𝑡ℎ =𝐷𝑖
2(exp [
0.5 𝑃𝑑
𝑆𝐸] − 1) + 𝑡𝑐 𝐸𝑐. 20
𝑡ℎ =1348 𝑚𝑚
2(exp [
0.5(8130.298 𝑘𝑃𝑎)
(120658.3 𝑘𝑃𝑎)(0.85)] − 1) + 3.175 𝑚𝑚
𝒕𝒉 = 𝟐𝟕. 𝟐𝟓𝟐 𝒎𝒎
Altura de los Cabezales
Las dimensiones de los cabezales se calculan con las ecuaciones proporcionadas por
“Koning + Co”, fabricante y distribuidor de cabezales36.
Figura 2. Geometría y ecuaciones de dimensionamiento de cabezales
𝑆𝐹 ≥ 3𝑠
𝐷𝐻 = 0.255𝐷𝑜 − 0.635𝑡 𝐸𝑐. 21
36 KOENING. Proveedores y fabricantes de cabezales. [En línea]. < https://www.koenig-
co.de/index.php?id=45&L=0Herr%27> [citado en 22 de junio 2018]
𝐷𝑜 = 𝐷𝑖 + 2𝑡ℎ 𝐸𝑐. 22
𝑇𝐻 = 𝑆𝐹 + 𝐷𝐻 𝐸𝑐. 23
𝑆𝐹 = 3(27.252 𝑚𝑚) = 81.756 𝑚𝑚
𝐷𝐻 = 0.255(1348 𝑚𝑚 + 2(27.252 𝑚𝑚)) − 0.635(27.252 𝑚𝑚)
𝐷𝐻 = 374.95 𝑚𝑚
𝑇𝐻 = 81.756 𝑚𝑚 + 374.95 𝑚𝑚
𝑻𝑯 = 𝟒𝟓𝟔. 𝟕 𝒎𝒎
Dimensiones del tambor de succión
Figura 3. Principales dimensiones del tambor de succión
456.7 mm
456.7 mm
1348 mm
6740 mm
886 mm
200 mm
610.5 mm
Bombeo del líquido colectado
El líquido almacenado en el fondo del tambor separador será enviado junto con los
fondos de la torre T-001 mediante un sistema de eductores J-001 y J-002A/B al Tambor Flash
de Amina Rica D-009, que usan corrientes de alta presión de amina rica como los fluidos
propulsores37.Por lo cual no es necesario implementar un sistema de bombeo adicional, ya
que se realiza un aprovechamiento de la energía de las corrientes a alta presión.
Sistema de tuberías
La distancia que separa al tanque de amina rica con el tambor separador es de 22 m,
por lo que se debe implementar un sistema de tuberías que conecte estos dos equipos, la cual
por cálculos anteriores se selecciona tuberías de acero de diámetro de 5 in y un Schedule de
40, las cuales soportan presiones de más de 1780 psi, lo que asegura que soportaran la presión
de operación del flujo38.
Diagrama del sistema de separación propuesto
Una vez diseñado el equipo de separación el nuevo diagrama de proceso se podrá observar
en la figura 9.
37 ECOPETROL S.A. U-108 Unidad de Hidrotratamiento de Diésel. Curso de la Unidad. Colombia. 2017. 38 COLMENA. Fabricación y comercialización de tubos y acero. [En línea]. <
http://tuboscolmena.com/colmena/tuberias-conduccion-de-fluidos/> [Citado en 20 de Junio 2018].
Figura 9. Diagrama de proceso con el KNO propuesto
Balance Económico
Perdidas en la Empresa con cada una de las Paradas de la Planta
Las causas de esta parada pueden ocurrir hasta dos veces por año, esta información
es obtenida de informes proporcionados por la planta.
Falta de producción (valor relacionado a falta de ingresos): $ 2 870 500 000
Cambio de sellos del compresor (4): $ 1 148 200 000
Trabajadores (10) (5 días): $15 000/h
Por cuestión de costos, la empresa puede perder en un año la siguiente cantidad:
$ 𝟏𝟒 𝟗𝟔𝟐 𝟔𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎
Costo de la tubería
La empresa COLMENA comercializa tubos en longitudes de 6 metros, con valor
unitario de $403 112, por lo que se requieren 4 tubos, para un costo total de:
Los costos de mantenimiento e instalación corresponden a39:
Instalación: 30% costo del equipo
Mantenimiento: 20% costo del equipo
$ 𝟏 𝟔𝟏𝟐 𝟒𝟒𝟖
Instalación de la tubería
$ 1 612 448 ∗ 30% = $𝟒𝟖𝟑 𝟕𝟑𝟒. 𝟒
Mantenimiento de la tubería
$ 1 612 448 ∗ 20% = $𝟑𝟐𝟐 𝟒𝟖𝟗. 𝟔
Costo del eliminador de niebla
Figura 3. Eliminador de niebla
$ 577 400 F.O.B
Instalación del eliminador de niebla
39 REVISTA VIRTUAL PRO. Costos en procesos industriales. [En línea]
<https://www.revistavirtualpro.com/revista/costos-para-procesos-industriales> [Citado en 25 de junio de
2018]
$ 577 400*30%=$ 173 220
Mantenimiento del eliminador de niebla
$ 577 400*20%=$ 115 480
Costo de láminas para la construcción del tambor
El espesor comercial más cercano al calculado es de 2 ¼ in (57.15 mm).
Basándose en las placas dimensiones comerciales de placas de acero, se seleccionaron
las dimensiones más acordes al diseño.40
Dimensiones de la placa de acero: 57.15 mm x 3 m x 10 m
Lo que da un aproximado de 2 láminas para el cuerpo y 2 láminas para los cabezales,
para un peso total aproximado de 5 toneladas.
Las cuales tienen un costo de $ 1 969 430 por tonelada.41
Costo total de las placas:
$ 𝟗 𝟖𝟒𝟕 𝟏𝟓𝟎
Construcción del tambor
$ 9 847 150 ∗ 30% = $𝟐 𝟗𝟓𝟒 𝟏𝟒𝟓
Mantenimiento del tambor
$ 9 847 150 ∗ 20% = $ 𝟏 𝟗𝟔𝟗 𝟒𝟑𝟎
Inversión total
40ACEROFERTAS. Comercializadora e importadora de aceros. [En Línea]
<http://www.acerofertas.com/placas.html> [Citado en 25 de junio de 2018] 41 Ibíd., pág.
Costo de la tubería $ 𝟏 𝟔𝟏𝟐 𝟒𝟒𝟖
Instalación de la tubería $𝟒𝟖𝟑 𝟕𝟑𝟓
Mantenimiento de la tubería $𝟑𝟐𝟐 𝟒𝟗𝟎
Costo del eliminador de niebla $ 577 400
Instalación del eliminador de niebla $ 173 220
Mantenimiento del eliminador de
niebla
$ 115 480
Costo de láminas para la construcción
del tambor
$ 𝟗 𝟖𝟒𝟕 𝟏𝟓𝟎
Construcción del tambor $𝟐 𝟗𝟓𝟒 𝟏𝟒𝟓
Mantenimiento del tambor $ 𝟏 𝟗𝟔𝟗 𝟒𝟑𝟎
TOTAL $18 055 498
Tabla 2. Inversión total del proyecto
Pérdidas mensuales por cuestión de fallas en el compresor debido a la presencia de
líquidos en la corriente gaseosa:
$ 𝟏𝟒 𝟗𝟔𝟐 𝟔𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟎
𝟏𝟐= $ 𝟏 𝟐𝟒𝟔 𝟖𝟖𝟑 𝟑𝟑𝟑
Recuperación inversión
El ahorro mensual será:
$ 1 246 883 333
La inversión total será:
$18 055 498
El ahorro diario correspondiente es:
$1 246 883 333
𝑚𝑒𝑠∗
1 𝑚𝑒𝑠
30 𝑑𝑖𝑎𝑠= 41 562 777.77
$
𝑑𝑖𝑎
La cantidad de dinero que la empresa debe invertir representa el siguiente porcentaje de las
pérdidas anuales por fallas en el compresor:
$ 18 055 498
$ 14 962 600 000∗ 100 = 0.12 %
El tiempo en que se recuperara la inversión es:
$ 18 055 498
41 562 777.77$
𝑑𝑖𝑎
= 0.44 𝑑𝑖𝑎𝑠
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Después de realizados los cálculos y al comparar otras investigaciones con el mismo enfoque,
se puede decir que las dimensiones obtenidas para el KOD de acuerdo a las condiciones de
alimentación y operación establecidas, son valores considerablemente, aceptables.
En comparación con trabajos llevados a cabo en la refinería, en la cual se realizaron proyectos
de expiación que constataban en el dimensionamiento de tambores de separación, en los
cuales se obtuvieron relaciones diámetro-longitud para separadores verticales de 7 a 1, lo
cual concuerda con las dimensiones obtenidas en el presente proyecto.
Con respecto a las posibles limitantes del KOD se deben tener en cuenta variaciones en las
condiciones de operación o de ingreso del alimento, como pueden ser, fracción de vapor o
velocidad de flujo.
CONCLUSIONES
Una vez realizado el diseño del sistema de separación (Knock out drum) para la
unidad U-108 Unidad de Hidrotratamiento de Diésel de la Refinería de Cartagena se puede
llegar a las siguientes conclusiones.
Basándose en el análisis económico se puede decir que implementar un sistema de
separación de fases, resulta rentable para la empresa ya que, de acuerdo a los cálculos
realizados, el sistema propuesto evitaría el arrastre de líquidos al compresor y por
consiguiente el ahorro en la compra de sellos mecánicos para el equipo. Lo que significa que
la empresa no tendría que gastar altas cifras de dinero y podría destinarlo a mejorar o invertir
en otras unidades que lo requieran.
Por otro lado, de acuerdo al análisis de costo implementación del sistema de
separación líquido-gas vs gastos de reparación. La inversión inicial en comparación con las
pérdidas en un eventual fallo del compresor solo representa un 0.12% del costo de las
reparaciones y del cese en la producción por las paradas requeridas en este tiempo.
Con respecto a las dimensiones obtenidas en el diseño del separador son adecuadas
para propiciar la separación de fases, ya que las gotas de líquido son lo suficientemente
grande para que la mayor parte de la separación se presente por acción de la gravedad.
Otros factores importantes fueron el material junto a el espesor de construcción
requerido debido a las altas presiones en la salida de la despojadora (1072 psi) y teniendo la
resistencia a la corrosión provocada por la acción del MDEA. Se obtuvo un valor para el
espesor del cuerpo del equipo de 57 mm y 27.25 mm para los cabezales. El material
seleccionado fue acero A516-grado 70 siendo estos los más adecuado para prevenir daños en
el equipo por corrosión y soportar las presiones presentes en del proceso. Finalmente, las
dimensiones del KNO serán de 7653.4 mm de altura incluyendo cabezales, y 1348 mm de
diámetro interno.
RECOMENDACIONES
Realizados los cálculos correspondientes para el diseño del sistema de separación
bifásico se podrán tener en cuenta las siguientes recomendaciones.
Las variaciones de la presión durante el proceso se consideran un factor crítico, por
lo cual se debería tener un control constante a través de una PSV en la cima del separador
para que al presentarse sobrepresión en el equipo este deje salir el vapor excedente. una
sobrepresión en el KNO, no solo afectara la manera en que se dan las operaciones entre fases,
sino que además ocasionaría daños en el equipo y riesgos al personal que labora en la unidad.
Realizar constante inspección de equipos aguas abajo como aguas arriba, ya que estos
afectan y son afectados de manera directa por el tambor de separación y se desea evitar fallas
que aunque pequeñas como arrastre de líquido al compresor puede causar altas pérdidas
económicas para la empresa.
Teniendo en cuenta que la cantidad de líquido en la alimentación al tambor no es un
valor constante, se podría realizar un control de nivel de líquido como operación
fundamental, por lo que el sistema de control debe ser muy preciso y estar constantemente
calibrado, ya que niveles muy bajos en el líquido almacenado puede causar problemas en
equipos aguas abajo, resultando en posibles fallas o pérdida de calidad en el proceso.
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