design equipment

1

31.DISEO DE SEPARADOR HORIZONTAL O SEPARADOR PRIMARIO

31.1Dimetro (D) y Longitud (L)

31.1.1Estimacin de la Velocidad Terminal (Vt) (PASO 1)

71.1.2Clculo del Caudal Actual de Gas (Qg)(PASO 2)

71.1.3Clculo del rea de la Seccin Transversal de Gas (Ag)(PASO 3)

81.1.4Clculo del Dimetro del Separador (D) (PASO 4)

91.1.5Clculo del Caudal de Lquido (Ql) (PASO 5)

91.1.6Clculo de la Longitud del Separador (L) (PASO 6)

111.2Dimensionamiento de las Boquillas de Entrada y Salida

111.2.1Dimensionamiento de la Boquilla de Entrada

121.2.2Dimensionamiento de la Boquilla de Salida de Gas

131.2.3Dimensionamiento de la Boquilla de Salida de Lquido

131.3Diseo del Eliminador de Neblina o Demister

141.4Espesores de la Carcasa Cilndrica, Casquete y Boquillas

141.4.1Clculo del Espesor de la Carcasa Cilndrica

151.4.2Clculo del Espesor de los Casquetes

151.4.3Espesor de Pared de las Boquillas

172.DISEO DE SEPARADOR VERTICAL O DEPURADOR

172.1Dimetro (D) y Longitud (L)

182.1.1Estimacin de la Velocidad Terminal (Vt) (PASO 1)

182.1.2Clculo del Caudal Actual de Gas (Qg) (PASO 2)

192.1.3Clculo del rea de la Seccin Tranversal del Recipiente (At)(PASO3)

192.1.4Clculo del Dimetro del Separador (D)(PASO 4)

192.1.5Clculo del Caudal de Lquido (Ql)

202.1.6Clculo de la Longitud del Separador (L)(PASO 5)

202.1.6.1Dimensionamiento de las Boquillas de Entrada y Salida

232.2Diseo del Eliminador de Neblina o Demister

242.3Espesores de la Carcasa Cilndrica, Casquete y Boquillas

242.3.1Clculo del Espesor de la Carcasa Cilndrica

252.3.2Clculo del Espesor de los Casquetes

262.3.3Espesor de Pared de las Boquillas

ANEXO No. 1.FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DE GASES NATURALES

ANEXO No. 2 GRFICAS DE STANDING PARA EL CLCULO DE Rs y Bo1. DISEO DE SEPARADOR HORIZONTAL O SEPARADOR PRIMARIO

1.1 Dimetro (D) y Longitud (L)

1.1.1 Estimacin de la Velocidad Terminal (Vt) (PASO 1)

Para el diseo de separadores horizontales bifsicos se emplea una ecuacin (Ec. 7-10 GPSA) [1] para el clculo de la velocidad terminal (Vt), en la cual se debe estimar el valor de la constante de Souders y Brown (K). Se asume que la velocidad horizontal del gas (Vh) es igual a la velocidad terminal (Vt) del lquido que cae. La longitud del separador (L) es un valor supuesto. A continuacin se muestra dicha ecuacin.

(I)

A continuacin se muestra el clculo de los parmetros de la ecuacin (I).

Clculo de la densidad del gas g

La densidad de un gas se calcula a partir de la ecuacin de gas ideal, corrigiendo el volumen de gas ideal con el valor del factor de compresibilidad (Z) para el gas real (Ec. 7-2 del GPSA), tal y como se muestra a continuacin:

Los valores de P, T y Mg son conocidos, el valor de Z se calcula mediante el Mtodo de Standing y Katz. Este mtodo aplica para gases dulces con M < 40 y consiste en leer el valor de Z de la Figura 23-3 del GPSA [1] entrando con las condiciones seudo reducidas (sTr y sPr).

Las condiciones seudo reducidas del gas se calculan como:

;

Donde T (R) = 105 + 459,7 = 564,70 R y P (psia) = 414,70 psia, son valores conocidos.

La presin y temperatura seudocrticas se pueden determinar a partir de las siguientes correlaciones para gas rico conocida la gravedad especfica del gas:

;

La gravedad especfica del gas se obtiene a partir de la relacin de pesos moleculares como

Sustituyendo, se obtiene:

;

Con estos valores de las condiciones seudoreducidas en la Figura 23-3 del GPSA (Ver Anexo No. 1) se lee Z = 0,90.

Finalmente, sustituyendo en (1) el valor de Z encontrado, loa valores de P, T y Mg conocidos y ; ; ; T = 564,7 R; P= 414,7 psia, se tiene:

Clculo de la densidad del lquido l

La densidad del lquido l a las condiciones del separador, considerando el gas disuelto en el lquido se calcula mediante la Ec. 4-30 del libro de McCain, en base a la solubilidad del gas (Rs) y factor volumtrico de formacin del petrleo (Bo):

Donde,

densidad de lquido a las condiciones de almacenamiento en el tanque (lb/pies3)

Rs: solubilidad del gas (scf/BN)

gravedad especfica el gas

Bo: factor volumtrico de formacin del petrleo

El factor volumtrico de formacin del petrleo se calcula empleando las correlaciones Standing, mostradas a continuacin:

Donde,

T y P: condiciones del separador

gravedad especfica del lquido a las condiciones de almacenamiento en el tanque (lb/pies3)

API: grados API medidos en el tanque

Adicionalmente, la densidad relativa del lquido a condiciones de almacenamiento en el tanque (normales), se obtiene a partir de API empleando la siguiente ecuacin:

Considerando el valor conocido de API = 45 y sustituyendo en las ecuaciones anteriores se tiene:

;

Sustituyendo en las ecuaciones anteriores se tiene:

B/BN

Finalmente, la densidad del lquido a las condiciones del separador es:

El clculo del factor volumtrico de formacin del petrleo (Bo) puede realizarse tambin a travs de los grficos de Standing de donde provienen las correlaciones entes indicadas, los cuales son mostrados en el Anexo No. 2.

Adicionalmente, considerando que el lquido en el separador se encuentra en estado de saturacin, la solubilidad del gas (RS) se determina a partir de Fig. 5-5 del McCain [2] (ver Anexo No.2), obtenindose

El factor volumtrico de formacin (Bo) se determina a partir por la Fig. 4-15 del libro McCain [2] (ver Anexo No. 3) en funcin de la solubilidad del gas RS, obteniendo .

De lo anterior se tiene que la densidad del lquido a condiciones de del separador es:

Para los clculos se usar un promedio de ambas estimaciones:

Estimacin de la Constante de Souders y Brown (K)

Para la estimacin del valor de la constante K se emplea la Fig 7-9 del GPSA [1], la cual suministra valores de K, para separadores horizontales, esfricos y verticales u horizontales en funcin de la presin de operacin. Adicionalmente, posee consideraciones para separadores sin extractor de neblina, separadores que manejen glicol o aminas o depuradores en la succin de compresores.

Se considerar el valor de K para un separador horizontal con extractor de neblina horizontal @ 400 psig. Leyendo de la Figura 7-9 del GPSA [1] y restando 0,01 al valor de K por cada 100 psig de incremento de presin de se lee K= 0,32 pies/s.

Sustituyendo los valores encontrados en la Ec. (I) y suponiendo la longitud del separador (L) como 10 pies, se tiene:

1.1.2 Clculo del Caudal Actual de Gas (Qg)(PASO 2)

El valor de caudal de gas a condiciones normales conocido de 90 MMpcnd, es corregido para llevarlo a las condiciones actuales de presin y temperatura del separador mediante la siguiente expresin:

Sustituyendo se tiene:

1.1.3 Clculo del rea de la Seccin Transversal de Gas (Ag)(PASO 3)

El rea de la seccin transversal (Ag) mnima de gas que permite el flujo normal del gas dentro del separador se calculo como:

(II)

Para el diseo de separadores se recomienda utilizar una velocidad superficial del gas (Vg) de aproximadamente el 85% de la velocidad terminal (Vt). La velocidad superficial del gas se calcula como , es decir .

Sustituyendo en la Ec. (II) se tiene:

1.1.4 Clculo del Dimetro del Separador (D) (PASO 4)

Suponiendo, en principio que el nivel de lquido en el separador se encuentra en la mitad, es decir que Al = Ag , se tiene que el rea total

Sustituyendo,

A partir del rea total (At) del separador se tiene que el dimetro (D) se calcula como:

Sustituyendo se tiene

1.1.5 Clculo del Caudal de Lquido (Ql) (PASO 5)

Para este clculo se tienen los siguientes valores conocidos y


Adicionalmente,

Donde Bo es el Factor Volumtrico de Formacin del Petrleo calculado anteriormente.

Para este clculo se emplear un promedio de los valores de Bo encontrados, es decir,


1.1.6 Clculo de la Longitud del Separador (L) (PASO 6)

La longitud del separador se determina suponiendo un valor de la longitud costura costura (Lss). Posteriormente, se calcula el volumen de lquido retenido como , el Al es la mitad del rea total calculada con el mayor dimetro nominal inmediato, es decir:

Adicionalmente, se debe calcular el tiempo de retencin de lquido () verificando que este valor sea mayor o igual al recomendado para lquidos mayores a los 35 API, el cual se estima en 1 min. Se debe verificar adicionalmente que la relacin de esbeltez del separador L/D se encuentre entre 2,5 y 6.

Las longitudes comunes comienzan en 7,5 pies y aumentan en incrementos de 2,5 pies.

En la Tabla No. 1 se muestran los clculos realizados:

Lss(pies)Vl (pies3 )trl (s)L/D

20,00567,404,402,35

22,50638,334,952,65

25,00709,255,502,94

27,50780,186,053,24

30,00851,106,603,53

32,50922,037,153,82

35,00992,957,704,12

37,501063,888,254,41

40,001134,808,804,71

42,501205,739,355,00

45,001276,659,905,29

47,501347,5810,455,59

Seleccionando una relacin L/D de 3,53 se tiene un Separador de 8,5= 102 x 30.

Distancia Vertical Disponible para el Flujo de GasUno de los parmetros para verificar que el diseo del separador es apropiado, es revisar que se cuenta con el espacio suficiente para la instalacin del eliminador de neblina, verificando que se cumple con el criterio de diseo recomendado de el que sea mayor de los dos casos.

La distancia vertical disponible para el flujo de gas en el separador es la mitad del dimetro del separador, en base a la suposicin de que el Ag = Al. Es decir

1.2 Dimensionamiento de las Boquillas de Entrada y Salida

El dimetro de las boquillas de entrada, salida de gas y salida de lquido, se calcula tomando como referencia la velocidad del flujo correspondiente. Para ello, se utilizarn los siguientes criterios de diseo:

Boquilla de Entrada:

, donde y

Ae : rea de la Boquilla de Entrada

Ve: Velocidad en la Boquilla de Entrada

(m : Densidad de la Mezcla

Boquilla de Salida de Gas:

, donde Ag : rea de la Boquilla de Salida de Gas

Vg: Velocidad en la Boquilla de Salida de Gas

Boquilla de Salida de Lquido:

, donde Al : rea de la Boquilla de Salida de LquidoVl: Velocidad en la Boquilla de Salida de Lquido

1.2.1 Dimensionamiento de la Boquilla de Entrada

Para la boquilla de entrada, considerando como velocidad el valor correspondiente a la mxima permitida, segn lo criterios indicados se tiene:

Finalmente el dimetro mnimo de la boquilla de entrada viene dado por:

1.2.2 Dimensionamiento de la Boquilla de Salida de Gas

Para la boquilla de salida de gas, considerando como velocidad el valor correspondiente a la mxima permitida, segn lo criterios indicados se tiene:

Finalmente el dimetro mnimo de la boquilla de salida de gas viene dado por:

1.2.3 Dimensionamiento de la Boquilla de Salida de Lquido

Considerando como mxima velocidad permitida y sustituyendo, se tiene el dimetro mnimo de la boquilla de salida de lquido viene dado por:

1.3 Diseo del Eliminador de Neblina o Demister

En base a lo recomendado por el Manual de Diseo de Procesos de PDVSA MDP-03-S-03 Separadores Lquido-Vapor [3], para servicios limpios se recomienda el uso de un eliminador de neblina horizontal de 6 pulgadas de espesor y 5 lb/pies3 de densidad aparente, empleando separadores horizontales.

Para el dimensionamiento del eliminador de neblina se tiene que el rea requerida de la malla (Amalla) se calcula en funcin de la velocidad superficial del gas como:

Considerando una malla cuadrada, la longitud de la viene dada por:

La distancia mnima permisible entre el tope de la malla y la boquilla de salida del gas se calcula a partir de la siguiente ecuacin:

La distancia vertical disponible entre el fondo de la malla y el nivel mximo de lquido se determina como:

En base a la suposicin de que el Ag = Al,

La altura disponible entre el fondo de la malla y el nivel mximo de debe ser de mnimo 1pie para prevenir el roco excesivo en la malla. En tal sentido,

1.4 Espesores de la Carcasa Cilndrica, Casquete y Boquillas

1.4.1 Clculo del Espesor de la Carcasa Cilndrica

El espesor de la carcasa cilndrica del recipiente considerando junta longitudinal se determina acorde al prrafo UG-27(c)(1) del ASME Seccin VIII, Divisin, donde se muestran las siguientes ecuaciones:

(III)

Donde,

ts: espesor de la carcasa cilndrica (pulg.)

P: Presin (psig)

S: Stress del Material (psig)

R: Radio Interno (pulg)

E: Eficiencia de Soldadura

C.A: Espesor por Corrosin (pulg.)

Considerando como material del recipiente acero al carbono ASTM A-516 Gr. 70, para segn la Tabla UCS-23 del ASME Seccin II, Parte D, el esfuerzo a la tensin del material es .

Por su parte, el valor de la eficiencia de soldadura (E) se considera acorde a lo indicado en el prrafo UW-12(d), la eficiencia de la junta longitudinal se estima y el espesor por corrosin 0,125 pulg.


El espesor nominal inmediato superior de la carcasa cilndrica resulta 1,4375 pulg es decir 1-7/16.

1.4.2 Clculo del Espesor de los Casquetes

Las ecuaciones para el clculo del casquete dependen de la geometra del mismo, a continuacin se muestran las ecuaciones para casquete esfrico y elptico, respectivamente.

Casquete Esfrico

(IV)

Casquete Elptico

(V)

Donde,

ts: espesor de la carcasa cilndrica (pulg.)

P: Presin de Diseo (psig)

S: Stress del Material (psig)

R: Radio Interno (pulg)

D: Dimetro Interno (pulg)

E: Eficiencia de Soldadura

C.A: Espesor por Corrosin (pulg.)

Para el diseo se considerarn casquetes elpticos, ya que estos tienen mayor resistencia a la presin Ec. (V):

Casquete Elptico

El espesor nominal de los casquetes elpticos resulta 1,4375 pulg es decir 1-7/16.

1.4.3 Espesor de Pared de las Boquillas

Segn lo especificado en el prrafo UG-45 del ASME Seccin VIII, Divisin 1, el espesor mnimo requerido del cuello de boquilla para recipientes sujetos a presin interna se determina como el menor de los siguientes valores:

a) El espesor requerido (asumiendo E = 1,0) ms el margen por corrosin para la carcasa o el cabezal donde la boquilla va a ser conectada al recipiente, pero en ningn caso menor que el espesor mnimo de 1/16 para cabezales y cascos especificado para el material en UG-16(b). De esta forma, se tiene:

b) El espesor mnimo de pared de tubera estndar, ms el margen por corrosin. El espesor mnimo de tubera es el espesor nominal menos el 12,5 % de tolerancia permitida. De esta forma, se tiene:

En el ASME B36.10 se obtienen los espesores nominales para tuberas de schedule estndar. Por lo tanto, para la boquilla de entrada y las boquillas de salida de gas y lquido el espesor viene dado por (Ver Anexo No. 3):


,


,


,

Se debe seleccionar entonces el menor valor entre y . Por lo tanto, los espesores mnimos requeridos para las boquillas son .

En base a los espesores comerciales indicados en el ASME B36.10, se seleccionan los valores inmediatos superiores como los siguientes espesores de diseo:




A continuacin se muestra un esquema donde se muestran las principales dimensiones del separador diseado:

Ag

Al

D= 102

Lss=30

Dg=16

Dl=12

De=12

hl= 4,25

hg2= 1,82

e= 6

Lm=5,2

hg1= 1,93

tbg=0,5

tbe= 0,5

tbl= 0,5

tc= 1 7/16

tc= 1 7/16

Diseo de Equipos. Ejercicio No.1

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design equipment

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