Tratamiento de líquidos

Tratamiento de líquidos
En general se aplica a la deshidratación y desalado del aceite, para satisfacer requerimientos
de entrega a refinería o explotación.
Para aceite enviado a refinerías: Contenido de sal <30 - 50 (lb/1000bl)
Contenido de agua < 1 (%)
Para aceite de exportación: Contenido de sal <10 (lb/1000bl)
Contenido de agua < 0.1 (%)
Ventajas de la deshidratación en el campo
•
•
•
•
•
Se disminuye los costos por concepto de transporte.
Se incrementa la capacidad de manejo de crudo.
Se evita daños por corrosión en las tuberías
Se evitan emulsiones “Fuertes” por tiempo de contacto agua- aceite en flujos
turbulentos disminuyendo los costos de tratamiento.
El agua separada se aprovecha (en ocasiones) para procesos de recuperación
secundaría.
Etapas incluidas en el tratamiento del aceite.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
separación del gas liberado.
eliminación de agua.
adición de reactivos químicos (desemulsificantes)
adición de calor
eliminación del gas liberado durante la separación del agua y el aceite.
tiempo de asentamiento.
Esquema de la instalación de tratamiento de aceite crudo.
¡Error!
Formación de emulsiones
Dos líquidos inmiscibles mutuamente (aceite, agua)
Un agente que estabilice la emulsión (asfalteno, parafinas)
Agitación suficiente para dispersar la fase no-continua en la continua.
Fase continua: aceite; emulsión directa
Fase no-continua: agua
Características de las emulsiones
Gota de
agua
⎫
⎪
⎬
⎪
⎭
•
•
Apariencia.- café pajizo
Viscosidad.- µo=1 (cp)
µw=10(cp
•
•
•
Tamaño de gotas de agua dispersas en el aceite .- aprox. Dp= 10 (micras)
Puede ser dura o estable.- tiene muchas partículas finas dispersas.
Suaves o inestables.- tienen gotas mas grandes y pueden separarse por diferencia de
densidades.
Μe=80 (cp)
Factores que afectan la emulsión.
•
•
•
•
Grado de agitación.- a mayor agitación mayor estabilidad.
Viscosidad del aceite.- a mayor µo mayor estabilidad
Tiempo
ph de la fase acuosa.- si ph <10 se presenta emulsiones agua-aceite (tiende a ser
más estable); si ph >10 se presenta emulsiones aceite- agua.
Principio de la deshidratación.
V =K
gdp 2 ( ρw − ρo)
µo
ley
de
Stokes
V= Velocidad de asentamiento de la gota
dp= diámetro de la partícula del agua (10 micras)
ρ w= densidad del agua
ρ o= densidad del aceite
µo= viscosidad del aceite
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
g= aceleración de la gravedad.
K= cte de unidad.
¾ Incrementar
Para incrementar la
velocidad de
asentamiento
( ρw − ρo)
elevando la temperatura para
romper la emulsión, también puede utilizarse un
disolvente que haga menos denso al aceite
¾ Agregar sal para que ρw sea alta.
¾ Aplicando calor para que µo disminuya.
El factor que más influye en la deshidratación es el dp
si dp aumenta una vez
entonces V aumenta 5 veces, dp puede aumentarse por métodos electroestáticos.
Eliminación de agua libre.
Se produce: aceite, agua libre y emulsión.
Ventajas de separar agua libre en el tratamiento de emulsiones.
•
•
•
Se evita sobrecarga en tuberías y equipos de tratamiento
Se disminuye efectos de corrosión
Se ahorra energía.
Eliminadores de agua libre
Solo interviene el tiempo de residencia para eliminar el agua libre
Tratamiento de emulsiones.
¾
¾
¾
¾
Tiempo (es el más importante)
Calor (con combustible)
Agente químico (desemulsificante)
Efectos mecánicos y eléctricos.
El tratamiento “ideal” implica aquel con menores costos de operación (desemulsificante +
combustible) y menor inversión para adquisición del equipo
Agente químico
Acción.- romper y desplazar la película que rodea a la partícula de agua.
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
Puede aplicarse en
¾
¾
¾
¾
Fondos del pozo
Cabezal
⎫
⎬
Batería de separación
⎭
Planta de deshidratación y desalado
En todos los casos la solubilidad del agente químico debe considerarse.
Inyección del fondo del pozo.- previene la formación de la emulsión disminuye la µo y ∴
∆Pfricción en T.P. (después de que el fluido producido atraviesa los disparos)
Cantidad y tipo de desemulsificante
¾
¾
¾
¾
Tipo.- se determina empíricamente
Dosificación.- por prueba de laboratorio
T a la cual debe calentarse la emulsión.
Tiempo de asentamiento
Pruebas “de botella” (método de ensaye y error)
D
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Se determina el punto donde se va a aplicar la inyección del desemulsificante.
Obtener muestra fresca representativa de la emulsión.
Colocar porciones de la muestra en diferentes botellas graduadas
Agregar diferentes reactivos en cantidades especificas y agitar para mezclar simulando
turbulencia (aprox. 200 agitaciones)
Observar durante varios minutos las muestras (un cambio de color indica acción del
desemulsificante, posible asentamiento).
Si no se observa agua libre, aplicar calor (con baño maría) y se determina la T
necesaria.
Extraer muestra de la parte media de la fase aceite, efectuar prueba centrifuga, se
determina el grado de limpieza y selecciona agente químico.
Definir dosificación.
Se repite el procedimiento, pero ahora solo con el agente químico para así definir la
dosificación
relación de tratamiento óptima.
Seleccionar dosificación.
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Mínima relación de tratamiento (menor costo).
Máxima velocidad de separación agua
Mayor grado de limpieza del aceite.
Definición de color y brillantez en la capa de aceite.
Mínima cantidad de aceite en el agua.
Definición de la interfase.
Agentes emulsificantes.
Asfaltenos, resinas, cresoles, fenoles, ácido orgánicos, sales metálicas, sedimentos, arcillas,
productos de corrosión, sólido, etc.
Desemulsificantes (1-5 gal/1000bl emulsión)
Son compuestos formulados con varios productos químicos como glicoles y resinas
polioxialquilenicas.
Factores que contribuyen a romper la emulsión.
Calor.
¾ Reduce la viscosidad del aceite.
¾ Expande la gota de agua, rompiendo o reduciendo la resistencia de la película que lo
rodea.
¾ Aumenta el movimiento de las moléculas.
¾ Promueve la diferencia de densidad entre partículas de agua y aceite.
¾ Adicionalmente, disuelve los pequeñas cristales de parafinas y asfaltenos disminuyendo
su efecto como potenciales emulsificantes.
Desventajas.
¾ Se evapora y pierde ligeros.
¾ El equipo es caro y también el tratamiento.
¾ Si T ↑ entonces velocidad de corrosión ↑ (por ejemplo: en tratadores de calor de flujo
directo)
¾ Aumenta la tendencia a depositación de incrustaciones.
¾ A veces se requiere personal especializado.
¾ Pueden ser peligrosos si se operan inadecuadamente o mantenimiento deficiente
¡Error!
Efectos electrostáticos.
Una particular de liquido en suspensión en otro, se supone esférica siempre que no actue
sobre ella fuerzas externas.
+ -
+ -
Si se aplica un campo de alto voltaje, la partícula se deforma y toma forma elíptica.
¡Error!
¡Error!
Se crea un dipolo. Las cargas positivas se desplazan hacia el electrodo negativo del campo
externo y viceversa.
Cuando se tiene dos partículas adyacentes, se presenta una fuerza de atracción mutua que
debe ser magnitud suficiente para que el chocar se rompan las películas permitiendo la
coalescencia.
¡Error!
F=
KE 2 d 6
S4
F= fuerzas de atracción entre las gotas.
K= cte, dieléctrica.
E= gradiente eléctrico (diferente voltaje)
D= diámetro de la partícula.
S= distancia entre las partículas (centro a centro.)
Para aumentar la fuerza de atracción entre las partículas adyacentes, se requiere:
¾ Aumentar el voltaje aplicado (sujeto a control)
¾ Aumentar d
¾ Disminuir s
Si el voltaje sobrepasa el valor del voltaje crítico para la partícula, ésta puede desintegrarse.
σ
El voltaje crítico se puede expresar por: Ec = K
d
σ =tensión superficial
K= cte. Dieléctrica
D= diámetro de la partícula.
Se dispone de reguladores de voltaje para los diámetros de las particulas.
Equipo para tratamiento de emulsión
Calentadores (calor)
Tratadores térmicos (gravedad, calor)
Tratadores termoquímicos (gravedad, calor reactivo químico)
Tratadores termoelectroquímicos (gravedad, calor, reactivos químicos, eléctrico)
Tanques deshidratadores- gun barrel (gravedad)
Deshidratadores electrostáticos (gravedad, eléctrico)
Coalescedores mecánicos (gravedad, efectos mecánicos)
Dispositivos de calentamiento de fuego directo.
∼ Hornos de calentamiento
¡Error!
∼ Calentadores con tubos concéntricos o enchaquetados
∼
¡Error!
La aplicación directa de calor provoca que ciertas áreas de tuberías estén más expuestas a
corrosiones e incrustaciones.
En periodos de flujo estático (detención del flujo de la emulsión) se recalienta, se presenta
evaporación y taponamiento por sales.
Se recomienda para emulsiones no – corrosivas con bajo contenido de sólidos y gasto
constante.
∼ Calentadores volumétricos con cámara de combustión interna.
∼
¡Error!
Dispositivo de calentamiento de fuego indirecto.
¡Error!
∼ Se reduce el daño al serpentín.
Tanque deshidratador Gun Barrel
¡Error!
¡Error!
hw+ho+he=hw
Tratadores electroestáticos.
Son recipientes en donde se induce una corriente y se produce la separación.
Ventajas:
Se requiere vasijas de menor tamaño
Se requiere menos reactivos químicos (25 a 75 % de ahorro)
Se requiere menos calor
Se mantiene el volumen y ºAPI del aceite tratado (no hay evaporación alta)
Prácticamente no requiere mantenimiento
Mejor control de contaminantes en el agua de deshecho.
Menos sensibles a cambios de gastos o características de emulsión.
Tratadores térmicos
¡Error!
¡Error!
Diseño de tratadores de calor Horizontal y Vertical
∼ Ecuación de asentamiento
Horizontales: dLeff = 438
Qoµo
(γw − γro )dm 2
… (1)
⎡
⎤
Qoµo
Verticales: d = 81.8⎢
… (2)
2 ⎥
⎣ (γw − γro )dm ⎦
d(pg); Qo (bl/día); µo (cp)
dm= diámetro de las partículas de agua en la emulsión, (micras)
Leff= longitud sección de coalescencia, (pie)
γw, γro = densidad relativas.
Ecuaciones para tiempo de retención.
Horizontales: d Leff =
Qotro
1.05
… (3)
d 2h =
Qotro
0.12
… (4)
Verticales:
H= altura de la sección de coalescencia (pg)
Tro= tiempo de retención del aceite (min)
Ecuación para aplicación de calor.
Para horizontales y Verticales
q = 15Qo∆T [0.5γro + 0.1] … (5)
⎛ BTU
q⎜
⎝ hr
⎞
⎟; Qo(bl / día ); ∆T (º F ); γro(a dim ensional )
⎠
∆Tentre la que tiene la emulsión y la que se le va a aplicar
Procedimiento:
1. “Seleccionar” temperaturas de tratamiento
2. Determinar µo@T de tratamiento (correlación Beggs-Robinson)
3. Determinar dm (partículas de agua que se quiere que coalescan en la emulsión)
Dm=500 µo5-0.675
4. Determinar geometría del recipiente que satisface criterios (1) ó (2)
5. Verificar que se satisfagan criterio (3) ó (4)
6. Repetir para otras T
7. Determinar q con ec (5)
Tratamiento de gas.
1.
2.
3.
4.
5.
Separación
Remoción vapores licuables.
Remoción vapor de agua (deshidratación)
Remoción componentes indeseables (H2S, CO2)
Odorización
∼ Deshidratación
¡Error!
Diseño para agentes secuestrantes trietilene-glicol (TEO)
⎧
⎪
⎨
⎪
⎩
Factores de diseño
Concentración de glicol
Gasto
Tiempo de contacto gas con absorbedor
Factores que afectan equilibrio
P,T
∼ Endulzamiento
¡Error!
Dimensionar un tratador de calor horizontal para que opere bajo las siguientes condiciones
γo = 30(º API ) ⇒ γro = 0.875
Qo = 5000 (bl/dìa)
T entrada = 80 (ºF)
γw = 1.04
∼ Selección de temperaturas de tratamiento: T1 =120(ºF); T2= 140 (ºF); T3= 160 (ºF)
mayor que 80 (ºF)
∼ Determinación de µo @ T de tratamiento (Beggs- Robinson)
Z= 3.0324 – 0.02023 (ºAPI)
Y=10 Z
X=y (T -1.163)
M= 10x-1
T(ºF), M (cp)
T1 =120 (ºF)
Z= 3.0324 – 0.02023 (30)
Z = 2.4255
Y= 10 2.4255 = 266.379
X= 266.379 (120-1.63)
X=1.0172
µ = 10 10172 -1= 9.4043 (cp)
T2= 140 (ºF)
Z= 2.4255
Y=266.379
X= 266.379 (140 -1.163)
X= 0.8503
Μ= 10 0.8503 -1
µ = 6.0 837(cp)
T3= 160 (ºF)
Z= 2.4255
Y = 266.379
X= 266.379 (160 -1.163)
X= 0.7280
µ =10 0.728 -1
µ = 4.3452(cp)
dm=500 (6.0837) -0.675
dm= 148 (micras)
dm= 500 (4.3452) -0.675
dm= 185 (micras)
∼1 Determinación de dm
dm= 500 µ0 -0.675
dm= 500 (9.4043) -0.675
dm= 110 (micras)
∼ Ecuación de asentamiento para determinar geometría del recipiente (que satisfaga ec.1)
dLeff = 438
Qoµo
(γw − γro )dm 2
T1 =120 (ºF)
dLeff =
438(5000)(9.4043)
(1.04 − 0.875)110 2
T2= 140 (ºF)
dLeff =
438(5000 )(6.0837 )
(1.04 − 0.875)148 2
T3= 160 (ºF)
dLeff =
438(5000)(4.3452 )
(1.04 − 0.875)185 2
dLeff = 10315.8
Leff supuesta
(pie)
20
30
40
dLeff = 3686.4
d(pg)
Leff supuesta
(pie)
20
30
40
515.8
344
258
dLeff = 1685.1
d(pg)
Leff supuesta
(pie)
20
30
40
184.3
123
92.2
d(pg)
84.3
56.2
42.1
∼ Ecuación para tiempo de retención (es para las 3 temperaturas)
d 2 Leff =
Qotro
; cuando no se tiene información tro = 20 → 30 (min) como mínimo
1.05
d 2 Leff =
5000 * 20
=
1.05
95238.1
Leff supuesta (pie)
20
30
40
d (pg)
69
56.3
48.8
Ecuación para aplicación de calor
q = 15Qo[0.5γro + 0.1]∆T
q = 15(5000)[(0.5 * 0.875) + 0.1]* ∆T = 40312.5∆T
T entrada = 80 (ºF)
T tratamiento
(ºF)
∆T
(ºF)
q
(MMBTU/ hr)
120
140
160
40
60
80
1.6125
2.4188
3.225
Se elabora una gráfica de Leff (vs) d
Dimensionar un tratador de calor vertical para que opere bajo las siguientes condiciones
γo = 40(º API ) ⇒ γro = 0.825
Qo = 2000 (bl/dìa); tro = 20 (min)
T entrada = 90 (ºF)
γw = 1.04
∼ Temperaturas de tratamiento: T1 =120(ºF); T2= 140 (ºF); T3= 160 (ºF)
∼ Determinación de µo @ Tis de tratamiento
T1 =120 (ºF)
Z= 3.0324 – 0.02023 (40)
Z = 2.2232
Y= 10 2.2232 = 167.186
X= 167.186 (120-1.63)
X=0.6383
µ = 10 0.6383 -1= 3.53 (cp)
T2= 140 (ºF)
Z= 2.4255
Y= 167.186
X= 167.186 (140 -1.163)
X= 0.5536
Μ= 10 0.5536 -1
µ = 2.42(cp)
T3= 160 (ºF)
Z= 2.2232
Y = 167.186
X= 167.186(160 -1.163)
X= 0.4569
µ =10 0.4569-1
µ = 1.86(cp)
dm=500 (2.426.0837) -0.675
dm= 275.36 (micras)
dm= 500 (1.86) -0.675
dm= 328.9 (micras)
∼1 Determinación de dm
dm= 500 µ0 -0.675
dm= 500 (3.35) -0.675
dm= 221.1 (micras)
∼ Ecuación de asentamiento para determinar geometría del recipiente.
⎡
⎤
Qoµo
d = 81.8⎢
2 ⎥
⎣ (γw − γro )dm ⎦
⎡ 2000 * 3.35 ⎤
d = 81.8 ⎢
2⎥
⎣ (1.04 − 0.825)22.1 ⎦
d=65.31(cp)
1/ 2
1/ 2
⎡
⎤
2000 * 2.42
d = 81.8 ⎢
2⎥
⎣ (1.04 − 0.825 )275.36 ⎦
d=44.57 (pg)
1/ 2
∼ Ecuación para tiempo de retención
d 2h =
troQo
;
0.12
d 2h =
20(2000 )
= 333.333 x10 3
0.12
h(pg)
supuesta (pie)
50
100
150
200
250
300
350
Se hace una grafica de h (vs) d
Ecuación para aplicación de calor
q = 15Qo[0.5γro + 0.1]∆T
q = 15(2000)[(0.5 * 0.825) + 0.1]* ∆T = 15375∆T
T entrada = 90 (ºF)
d (pg)
81.65
57.74
47.14
40.82
36.5
33.3
30.86
⎡ 2000 * 31.86 ⎤
d = 81.8 ⎢
2⎥
⎣ (1.04 − 0.825 )328.9 ⎦
d=32.7 (pg)
1/ 2
T (ºF)
∆T(ºF)
q (MMBTU/ hr)
120
140
160
30
50
70
0.46125
0.76875
1.07625