Información valiosa para quienes están diseñando un tanque deshidratador Gun Barrel, obtenida de internet.
No la hice yo la presentación, pero la comparto, por su valía.
2. La deshidratación de aceites crudos abarca los proceso mediante los cuales
se separa el agua asociada con el crudo, hasta lograr reducir su contenido a un
porcentaje previamente especificado, que permite su comercialización.
El agua y el aceite crudo son esencialmente inmiscibles, por lo tanto, estos dos
líquidos coexisten como dos distintos. Entonces sería lógico pensar que su
separación se debería dar fácilmente de forma espontanea por efecto de la
gravedad, toda vez que sus densidades son diferentes.
Una parte del agua producida por los pozos petroleros, llamada agua libre, en
efecto se separa fácilmente del crudo por acción de la gravedad, tan pronto
como la velocidad de los fluidos es suficientemente baja. La otra parte del agua
está íntimamente combinada con el crudo en forma de una emulsión de gotas
de agua dispersadas en el aceite, la cual se llama emulsión agua/aceite (W/O).
Durante las operaciones de extracción del petróleo, la mezcla de aceite crudo y
agua de formación se desplazan en el medio poroso a una velocidad del orden
de 1 pie/día, lo que es insuficiente para que se forme una emulsión.
Sin embargo, al pasar por todo el sistema de producción (Tuberías de
producción, estranguladores, líneas de descarga, separadores, etc) se produce
la agitación suficiente para que el agua se disperse en el aceite en forma de
emulsión.
3. Entonces podemos definir a las emulsiones como una combinación de dos
líquidos mutuamente inmiscibles, uno de los cuales (fase dispersa) está
disperso en forma de gotas en el otro (fase continua).
Fase continua
Fase dispersa
Las dos fases de una emulsión están unidas por un agente emulsificante, el
cual impide que la fase dispersa pueda separarse de la fase continua.
Fase continua
Gota de Fase dispersa
Agente emulsificante
4. Entonces, para que se forme una emulsión existen tres requisitos esenciales:
• Dos líquidos inmiscibles, como el agua y el aceite.
• Suficiente agitación para dispersar uno de los líquidos en pequeñas gotas en
el otro.
• Un agente emulsionante para estabilizar las gotas dispersas en la fase
continua.
Los agentes emulsificantes son numerosos y pueden ser clasificados de la
siguiente manera:
• Compuestos naturales de superficie activa tales como asfaltenos y resinas
conteniendo ácidos orgánicos y bases, ácidos nafténicos, ácidos carboxílicos,
compuestos de sulfuro, fenoles, cresoles y otros surfactantes naturales de
alto peso molecular.
• Sólidos finamente divididos, tales como arena, arcilla, finos de formación,
esquistos, lodos de perforación, fluidos para estimulación, incrustaciones
minerales, compuestos de corrosión .
• Químicos añadidos tales como inhibidores de corrosión, biocidas,
secuestrantes, surfactantes y agentes humectantes.
5. Las emulsiones en la industria petrolera se clasifican de diferentes maneras.
Por ejemplo, de acuerdo al líquido que se encuentra en la fase dispersa,
tenemos:
• Emulsiones normales o directas: cuando la fase dispersa es el agua. De
este tipo son la mayoría de las emulsiones (99%).
• Emulsiones inversas: cuando la fase dispersa es el aceite. Este tipo de
emulsiones se presenta muy rara vez (1%).
AGUA
ACEITE
6. De acuerdo a la estabilidad de las emulsiones, tenemos:
• Emulsiones estables, duras o fuertes: Son emulsiones muy difíciles de
romper, principalmente porque las gotas dispersas son muy pequeñas.
• Emulsiones inestables, suaves, flojas o débiles: Son emulsiones fáciles
de romper, debido a que tienen un gran número de gotas de agua de gran
diámetro presentes, ellas a menudo se separan fácilmente por la fuerza
gravitacional.
7. Los factores que intervienen en la estabilidad de las emulsiones son
muchos y muy variados, pero los más importantes son:
• Estabilidad de la película de agente(s) emulsificantes. Esta película
forma una barrera viscosa que inhibe que las gotas más pequeñas se unan
entre sí para formar gotas más grandes (coalescencia). Este tipo de película
ha sido comparada con una envoltura plástica.
• Tamaño de las gotas dispersas. Gotas muy pequeñas menores de 10 µm
generalmente producen emulsiones más estables. Una amplia distribución de
tamaños de partículas resulta en general en una emulsión menos estable.
• Viscosidad de la fase continua. Una viscosidad alta en la fase externa
disminuye el coeficiente de difusión y la frecuencia de colisión de las gotas,
por lo que se incrementa la estabilidad de la emulsión.
• Diferencia de densidad de los dos líquidos. La fuerza neta de gravedad
que actúa en una gota es directamente proporcional a la diferencia en
densidades entre la gota y la fase continua. Mientras mayor sea la diferencia
de densidades, mayor será la velocidad de sedimentación de las gotas y por
ende se acelera la coalescencia, desestabilizándose con esto la emulsión.
8. • Proporción de volumen de las fases. A medida que se incrementa el
volumen de la fase dispersa se incrementa el número de gotas y/o tamaño de
gota y el área interfacial. La distancia de separación se reduce y esto
aumenta la probabilidad de colisión de las gotas. Todos estos factores
reducen la estabilidad de la emulsión.
• Envejecimiento de la emulsión. La edad incrementa la estabilidad de la
emulsión porque el tiempo permite que los surfactantes migren a la interfase
de la gota. Esta película alrededor de la gota llega a ser más gruesa, más
fuerte y más dura. La cantidad de agentes emulsificantes se incrementa por
oxidación, fotólisis, evaporación o por la acción de bacterias.
• Temperatura. Usualmente, la temperatura tiene un efecto muy fuerte en la
estabilidad de la emulsión. Incrementando la temperatura se incrementa la
difusión de las gotas, decrece la viscosidad de la fase continua, disminuye la
película interfacial y se modifica la tensión superficial. Todos estos cambios
disminuyen la estabilidad de la emulsión.
9. Para efectuar la deshidratación de un aceite crudo se debe:
Separar el agua libre tan pronto como sea posible.
Romper la emulsión para que puedan coalescer las gotas pequeñas
formando gotas más grandes y permitir el tiempo necesario para
que éstas puedan separarse del aceite.
Para favorecer el rompimiento de las emulsiones podemos llevar a cabo las
siguientes acciones:
Aumentar la diferencia de densidades de los líquidos.
Aumentar el tamaño de las gotas.
Disminuir la viscosidad de los fluidos.
Dar mayor tiempo de reposo.
Eliminar o debilitar la capa de agentes emulsificantes.
10. El primer paso en un tratamiento es el análisis de laboratorio donde se
determina:
Tipo de emulsión que se tiene
El porcentaje de las fases
Las características del agente emulsificante
La respuesta a los diferentes métodos de tratamiento.
Una vez determinado lo anterior, se podrá elegir el método o la combinación
de métodos de tratamiento para llevar a cabo la deshidratación de cada
emulsión en particular.
11. Dependiendo del tipo de aceite y de la disponibilidad de recursos se combinan
cualquiera de los siguientes métodos típicos de deshidratación de crudo:
Tratamiento Químico
Tratamiento Térmico
Tratamiento Mecánico
Tratamiento Eléctrico
Tratamientos Combinados.
MÉTODOS DE DESHIDRATACIÓN
El tratamiento químico Consiste en agregar a la emulsión ciertas sustancias
químicas, conocidas como “productos químicos desemulsionantes”, las cuales se
concentran en la interfase para atacar los agentes emulsificantes y destruir la
emulsión.
El tratamiento térmico Consiste en tratar la emulsión en un recipiente
tratador, adicionándole calor para permitir la separación de fases.
12. El tratamiento mecánico se caracteriza por utilizar equipos de separación
dinámica que permiten la dispersión de las fases de la emulsión y aceleran el
proceso de separación gravitacional. Entre ellos se encuentran los tanques de
sedimentación llamados comúnmente tanques de lavado o Gun Barrel.
El tratamiento eléctrico Para el tratamiento eléctrico se utilizan equipos
denominados deshidratadores electrostáticos, y consiste en aplicar un campo
eléctrico para acelerar el proceso de acercamiento de las gotas de la fase
dispersa.
Tratamientos combinados. Con el fin de que el proceso de deshidratación sea
más efectivo, rápido y económico, en la mayoría de los casos se recomienda
combinar varios tratamientos. La práctica más común es usar una combinación
de método químico con uno térmico, mecánico o eléctrico.
13. TRATAMIENTO QUÍMICO
Por lo general, los desemulsionantes comerciales son mezclas de varios
componentes que tienen estructuras químicas diferentes y materiales
poliméricos, así como una amplia distribución de peso molecular. Están
conformados por un 30 a 50% de materia activa (surfactantes) más la adición
de solventes adecuados, tales como nafta aromática y alcoholes.
Estos surfactantes tienen DOS efectos fundamentales una vez adsorbidos en la
interfase agua-aceite: uno es la inhibición de la formación de una película rígida,
otro el debilitamiento de la película que ya está formada, volviéndola
compresible.
Los desemulsionantes deben ser dosificados en forma continua en la relación
determinada por pruebas de botella y/o pruebas de campo. Los rangos de
dosificación pueden variar de 10 a 1000 ppm, aunque generalmente con un
buen deshidratante se utilizan 10 a 100 ppm.
Generalmente los crudos pesados requieren mayor dosificación que los crudos
ligeros. El exceso de dosificación de desemulsificante incrementa los costos de
tratamiento, puede estabilizar aun más la emulsión directa ó incluso producir
emulsiones inversas.
14. Debido a que los agentes desemulsionantes son tan numerosos y complejos
para permitir su completa identificación, seleccionar el desemulsionante más
adecuado es un arte. La selección está basada en pruebas empíricas de
laboratorio conocidas como Pruebas de botella, las cuales se han
estandarizado como técnica de selección de estos productos en los laboratorios
de la industria petrolera.
15. El sitio de aplicación del químico es muy importante y se debe estudiar con
cuidado al diseñar una planta de tratamiento.
Se debe tener suficiente agitación después de inyectar el desemulsificante con el
fin de que se mezcle íntimamente con la emulsión y establezca contacto con
todas y cada una de las gotas de agua suspendidas.
Se debe tratar de agregar la sustancia química, en la proporción
predeterminada, a la línea que transporta los fluidos emulsionados, cerca a la
cabeza del pozo o en el sitio más conveniente seleccionado, de acuerdo con las
pruebas de campo.
La cantidad de químico requerido varía con el tipo de emulsión, el porcentaje de
agua, el tiempo de asentamiento y la temperatura de tratamiento.
La selección y preparación del tipo de desemulsionante debe coincidir con el
recipiente de tratamiento de la emulsión. Los tanque de lavado que tienen largo
tiempo de retención (8-24 horas), requieren desemulsionantes de acción lenta.
Por otro lado, los tratadores-calentadores y las unidades electrostáticas con
corto tiempo de retención (15-60 minutos) requieren desemulsionantes de
acción muy rápida.
16. Bajo costo de instalación y operación
Proceso y equipos sencillos
Fácilmente adaptable a operaciones en grande y pequeña escala
Desemulsificante rápido y efectivo
La calidad del crudo no se altera.
VENTAJAS DEL TRATAMIENTO QUÍMICO
17. TRATAMIENTO TÉRMICO
El aumento de temperatura de la corriente a tratar tiene los siguientes
efectos:
Reduce la viscosidad del aceite
Debilita el agente emulsificante
Disminuye la densidad del crudo
Disminuye la tensión superficial del agua.
Los equipos utilizados para el tratamiento térmico pueden ser:
Calentadores Directos
Calentadores Indirectos
Tratadores Térmicos
Tratamientos Combinados (Termoquímicos, Termoeléctricos)
18. CALENTADORES: la emulsión se calienta en una vasija y sale a un tanque
para reposo, para el asentamiento y separación.
TRATADORES: la emulsión se calienta en una vasija y en la misma vasija
hay coalescencia y separación del agua.
En la actualidad los equipos térmicos más comúnmente utilizados son los
Tratadores, los cuales pueden ser verticales u horizontales.
Usar uno u otro depende de:
Condiciones de operación
Disponibilidad del equipo
Disponibilidad de espacio
Experiencia y preferencia del personal
19. TRATADOR TÉRMICO VERTICAL
Usados PRINCIPALMENTE para tratar corrientes de pozos individuales.
Manejan tiempos de retención entre 3 y 4 minutos.
20. TRATADOR TÉRMICO HORIZONTAL
Se usan para corrientes de varios pozos.
Tienen tiempos de retención entre 20 y 30 minutos.
21. VENTAJAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO
Reduce la viscosidad de la fase continua
Incrementa el movimiento y la colisión de las gotas de agua para su
coalescencia.
Incrementa la diferencia de densidad entre el agua y el crudo.
Promueve una mejor distribución del desemulsionante.
Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad a las
emulsiones.
Debilita la película de emulsionante que rodea a las gotas de agua.
22. DESVENTAJAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO
Provoca la migración de los compuestos más volátiles del crudo hacia la
fase gas. Esta pérdida de livianos ocasiona una disminución de volumen
del crudo calentado y una disminución en su gravedad API.
Incrementa los costos de combustible.
Incrementa los riesgos en las instalaciones.
Requieren mayor instrumentación y control.
Causa depósitos de coke.
23. TRATAMIENTO MECÁNICO
El tratamiento mecánico está caracterizado por el asentamiento gravitacional
que se lleva a cabo en grandes recipientes llamados tanques sedimentadores,
tanques de lavado o “gun barrels” y en eliminadores de agua libre
Los eliminadores de agua libre son utilizados solamente para remover grandes
cantidades de agua libre, la cual es agua producida en la corriente, pero que no
está emulsionada y se asienta fácilmente en menos de 10-20 minutos. El crudo
de salida todavía contiene desde 1 hasta 30 % de agua emulsionada.
En el interior de estos recipientes que son de simple construcción y operación,
se encuentran bafles para direccionar el flujo y platos de coalescencia. El agua
es removida por la fuerza de gravedad y esta remoción provoca ahorros en el
uso de combustible de los calentadores.
Los eliminadores de agua libre, no son lo mejor cuando se tiene alto contenido
de emulsión en la corriente a tratar ya que ellos solo remueven el agua libre,
aunque pueden adicionarse químicos rompedores de emulsión a la
alimentación del recipiente para incrementar la cantidad de agua removida
25. Los tanques de lavado o comúnmente llamados “Gun Barrels” son tanques
atmosféricos que usualmente operan con media parte de agua (colchón de
agua) y la otra parte lo cubre el aceite crudo. Son los sistemas de
deshidratación mecánica más ampliamente usados
Su funcionamiento consiste en que la emulsión entra al área de desgasificación,
donde se produce la liberación del gas remanente a través del sistema de
venteo.
Seguidamente, la fase líquida desciende por el tubo desgasificador (flume) y
entra a la zona del agua de lavado a través de un distribuidor, que se encarga
de esparcir la emulsión lo más finamente posible a fin de aumentar el área de
contacto entre el agua de lavado y la emulsión, favoreciendo así la coalescencia
de las partículas de agua.
La emulsión fluye a través del “colchón agua” en el interior del tanque lavándose
y el agua que lleva la emulsión se queda en el colchón. El aceite por ser más
liviano que la emulsión asciende pasando a formar parte de la zona
correspondiente al aceite deshidratado el cual sale del tanque por rebose.
El agua sale a través de una pierna de agua (cuello de ganso) o es controlada
por un controlador de interfase.
Estos equipos tienen tiempos de residencia que varían desde 3 hasta 36 horas.
27. TRATAMIENTO ELÉCTRICO
El tratamiento eléctrico involucra el uso de un Campo Eléctrico o
Electroestático con el propósito de causar que las pequeñas gotas dispersadas
se muevan hacia los electrodos, coalescan y caigan por gravedad.
El fenómeno es producido debido que las partículas suspendidas en un medio
con una constante dieléctrica más baja son atraídas entre sí, cuando se forma
un Campo Eléctrico de alto voltaje en el sistema.
Mientras mayor resistividad tenga el aceite es mayor el esfuerzo eléctrico que
puede sostener sin romperse y por lo tanto, las fuerzas que producen la
coalescencia son mayores.
El segundo método es someter a la emulsión a un campo eléctrico alterno,
vibrando las gotas a la frecuencia de la corriente, chocando , coalesciendo y
cayendo.
La deshidratación eléctrica requiere mayor temperatura que los procesos
químicos y mayor presión.
29. Los tratadores electrostáticos son usados generalmente cuando existen las
siguientes circunstancias:
• Cuando el gas combustible para calentar la emulsión no está disponible o es
muy costoso.
• Cuando la pérdida de gravedad API es económicamente importante.
• Cuando grandes volúmenes de crudo deben ser tratados en una planta a
través de un número mínimo de recipientes.
Las ventajas del tratamiento electrostáticos son:
• La emulsión puede ser rota a temperaturas muy por abajo que la que
requieren los tratadores-calentadores.
• Debido a que sus recipientes son mucho más pequeños que los tratadores-
calentadores, eliminadores de agua libre y gun barrels, son ideales para
plataformas petroleras marinas.
• Pueden remover mayor cantidad de agua que otros tratadores.
• Las bajas temperaturas de tratamiento provoca menores problemas de
corrosión e incrustación.
30. La mayor desventaja de los tratadores electrostáticos es el gasto
adicional del sistema eléctrico requerido, sistemas de control y de
mantenimiento.
34. USO DE DATOS DE PRUEBAS DE BOTELLA
EN EL CAMPO
Los datos que proporcionan las pruebas de botella se pueden resumir en:
1 – Cual o cuales productos químicos desemulsionantes son apropiados para el
tratamiento de la emulsión del aceite crudo.
2 – Cual es la dosificación apropiada para que se lleve a cabo el rompimiento de
la emulsión y la separación del agua.
3 – Cual es el contenido de agua y sedimento (B,S&W) y la salinidad que se
puede obtener en el aceite deshidratado con el reactivo dosificado.
4 – El tiempo de residencia y la temperatura que se debe dar al aceite crudo
emulsionado para obtener los resultados especificados.
1 – Cantidad de agua libre presente que puede separarse sin aplicación de
producto químico desemulsionante y su tiempo de separación.
35. Con los datos anteriores se puede determinar:
1 - El o los equipos en los cuales es recomendable realizar la deshidratación,
después de haber dosificado el desemulsionante.
a) Si el tiempo de residencia es muy largo y no se requiere temperatura
mayor a la ambiental , el equipo a utilizar será uno de tratamiento
mecánico (eliminador de agua libre o Gun Barrel).
b) Si el tiempo de residencia es corto y se requiere temperatura mayor a la
ambiental, el equipo a utilizar será uno de tratamiento térmico o
eléctrico (tratador térmico o electrostático).
c) Si el crudo presenta alto contenido de agua libre se recomienda un
tratamiento mecánico inicial para segregar el agua libre y
posteriormente otro tipo tratamiento para tratar la emulsión.
2 – El volumen de reactivo químico que se debe inyectar a la corriente a tratar.
La dosificación de la prueba normalmente viene dada en partes por millón
(ppm). Esto significa los litros de desemulsionante que se deben dosificar
por cada millón de litros de aceite emulsionado a tratar.
36. Entonces, para determinar el gasto de reactivo a inyectar, hacemos una simple
regla de tres:
Por ejemplo: Si el resultado de una prueba de botella me indica que la
dosificación apropiada de desemulsionante es 70 ppm y el volumen de
emulsión que voy a tratar es 5000 bls/día:
1 – Convertimos los bls/día a lts/día
𝑄𝑒𝑚𝑢𝑙
lts
día
=
𝑄𝑒𝑚𝑢𝑙 𝑏𝑝𝑑 1000
6.2898
=
(5000)(1000)
6.2898
= 794913 𝑙𝑡𝑠/𝑑í𝑎
2 –Calculamos el gasto de desemulsionante a inyectar
𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑚
𝑙𝑡𝑠
𝑑𝑖𝑎
=
(70)(794913)
1000000
= 56 𝑙𝑡𝑠/𝑑í𝑎
𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑚 =
(𝑝𝑝𝑚)(𝑄𝑒𝑚𝑢𝑙)
1000000
37. DISEÑO DE UN TANQUE DE LAVADO
GUN BARREL
Un tanque de lavado no es mas que un tanque de almacenamiento vertical de
cúpula fija al cual se le instalan dispositivos para poder llevar a cabo la
separación del agua de la emulsión de una corriente de crudo.
Pierna de agua
Derrame de aceite
Flume
Colchón de agua
39. Existen ciertas recomendaciones específicas para la instalación de los
dispositivos, como son:
1.- El máximo nivel al que se debe operar un tanque atmosférico es al 80% de
su capacidad total, para evitar daños en la cúpula
2.- La distancia mínima que debe existir entre el fondo del tanque y la salida de
agua salada es 0.70 mts., para evitar arrastre de sedimentos y posible
obstrucción.
3.- La distancia mínima que debe existir entre el nivel de la salida de agua y el
nivel del distribuidor interior es de 0.50 mts, para evitar arrastre de aceite en el
agua de salida.
4.- El diámetro del flume debe ser 2 a 3 veces el diámetro de la línea de carga
de emulsión al tanque, dependiendo del tipo de aceite tratado.
5.- El distribuidor interior debe ser del mismo diámetro que el flume y debe
tener instalados ramales de diámetro menor en un arreglo que cubra lo mayor
posible del área transversal del tanque.
6.- La distancia mínima que debe existir entre la pared del tanque y los
extremos del distribuidor es de 1.5 mts.
40. De acuerdo a las recomendaciones anteriores se pueden calcular las alturas de
instalación de varios de los dispositivos del Gun Barrel.
Tomando en cuenta la recomendación 1. La altura de instalación del derrame de
aceite estará dada por:
ℎ𝑑𝑒𝑟𝑟 = 0.8ℎ𝑇𝑄
Tomando en cuenta las recomendaciones 2 y 3. Las alturas de instalación de la
salida de agua salada (hsas) y de entrada de la emulsión al tanque (hee) serán:
ℎ𝑠𝑎𝑠 = 0.7 mt
ℎ𝑒𝑒 = 1.20 mt
ℎ𝑑𝑒𝑟𝑟
ℎ𝑇𝑄
𝑳𝒅𝒊𝒔𝒕
41. De acuerdo a las recomendaciones 4 y 5 . El diámetro del flume (Dfl) y del
distribuidor interior (Ddist)serán:
𝐷𝑓𝑙 = 𝐷𝑑𝑖𝑠𝑡 = 𝐴𝐷𝑙𝑐
Donde:
Dlc = diámetro de la línea de carga (plg)
A = 2 para aceite pesado, 2.5 para aceite mediano, 3 para aceite ligero
Y de acuerdo a la recomendación 6. La longitud efectiva del distribuidor interior
(Ldist)será:
𝐿𝑑𝑖𝑠𝑡 = 𝐷𝑇𝑄- 3
Donde:
DTQ = diámetro del Tanque (mt)
El distribuidor es una arreglo de tuberías, con una tubería de mayor diámetro en
la cual distribuye el flujo de emulsión a un determinado número de ramales
perforados, cuyo arreglo es variable y debe ser definido para que distribuya de
la mejor manera posible la emulsión en toda el área transversal del tanque.
42. Algunos arreglos sugeridos son los siguientes:
ALTERNADO PARALELO FORMA “H”
Se recomienda un espaciamiento mínimo de 1.5 mts. para el arreglo alternado y
de 2 mts. para el arreglo paralelo.
Los arreglos 1 y 2 se recomiendan para tanque de gran capacidad (10 000
barriles o mayores) y el arreglo 3 para tanques pequeños.
El diámetro de los ramales se calcula aplicando el principio de diámetros
equivalentes, considerando que todo el flujo que fluirá por la tubería central del
distribuidor se repartirá entre los ramales a la misma velocidad.
43. Entonces el diámetro de los ramales estará dado por:
𝐷𝑟𝑎𝑚 =
2
(𝐷𝑑𝑖𝑠𝑡).2
𝑁
Donde:
Dram = diámetro de los ramales (plg)
N = número de ramales
Por lo general el diámetro de las perforaciones de los ramales son de 3/8”,
aunque este diámetro puede ser mayor en caso de que el aceite crudo a
manejar sea muy pesado. Entonces aplicando el mismo principio de diámetros
equivalentes, el número de perforaciones que se deben distribuir entre todos los
ramales será:
𝑛 =
𝐷𝑑𝑖𝑠𝑡 .2
(𝐷𝑝𝑒𝑟𝑓).2
Donde:
Dperf = diámetro de las perforaciones (plg)
n = número de perforaciones
44. Para calcular la altura de la pierna de agua, primero debemos calcular las
alturas de los colchones de agua y de aceite que existirán dentro del tanque:
1.- Calculamos el factor del tanque, que representa el volumen que tiene el
tanque por cada metro de altura.
𝑓𝑡𝑞 = 𝜋(𝐷𝑇𝑄).2
Donde:
ftq = factor del tanque (m³/mt)
ℎ𝑜
ℎ𝑤
ℎ𝑇
45. 2.- Calculamos el gasto de aceite:
𝑄𝑜 = 𝑄𝑒𝑚 1 −
𝑏𝑠𝑤
100
Donde:
Qo = gasto de aceite (m³/día)
Qem = gasto de emulsión (m³/día)
bsw = contenido de agua y sedimento (%vol)
3.- Calculamos el volumen de aceite que tendrá el tanque:
𝑉
𝑜 = 𝑄0𝑡𝑟
Donde:
Vo = volumen de aceite en el tanque (m³)
tr = tiempo de residencia (días)
4.- Calculamos el espesor del colchón de aceite en el tanque:
ℎ𝑜 = 𝑉0𝑓𝑡𝑞
Donde:
ho = espesor del colchón de aceite (mt)
46. 5.- Calculamos la altura del colchón de agua:
ℎ𝑤 = 0.8ℎ𝑇𝑄 − ℎ𝑜
7.- Calculamos los gradientes de presión del aceite y el agua salada, tomando en
cuenta que el gradiente de presión del agua dulce con densidad relativa de
1.000 es 1.425 psi/mt de altura:
Donde:
hw = altura del colchón de agua (mt)
𝐺𝑃𝑜 = 1.425𝛾𝑜
𝐺𝑃𝑤 = 1.425𝛾𝑤
Donde:
GPo = gradiente de presión del aceite (psi/mt)
GPw = gradiente de presión del agua salada (psi/mt)
= densidad relativa del agua
= densidad relativa del aceite
𝛾𝑤
𝛾𝑜
6.- Calculamos la columna de agua hasta la altura de salida del agua salada:
ℎ𝑤𝑎𝑠 = ℎ𝑤 − ℎ𝑠𝑎𝑠
47. 8.- Para calcular la longitud de la pierna de agua, hacemos un balance de
presión del sistema:
𝑃𝑅𝐸𝑆𝐼Ó𝑁 𝐻𝐼𝐷𝑅𝑂𝑆𝑇Á𝑇𝐼𝐶𝐴
𝐷𝐸𝑁𝑇𝑅𝑂 𝐷𝐸𝐿 𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸
= 𝑃𝑅𝐸𝑆𝐼Ó𝑁 𝐻𝐼𝐷𝑅𝑂𝑆𝑇Á𝑇𝐼𝐶𝐴
𝐸𝑁 𝐿𝐴 𝑃𝐼𝐸𝑅𝑁𝐴 𝐷𝐸 𝐴𝐺𝑈𝐴
𝐺𝑃𝑜ℎ𝑜 + 𝐺𝑃𝑤ℎ𝑤𝑎𝑠 = 𝐺𝑃𝑤ℎ𝑝𝑎
ℎ𝑠𝑎𝑠 = 0.7 mt
ℎ𝑜
ℎ𝑤
ℎ𝑤𝑎𝑠
ℎ𝑝𝑎
Por lo tanto:
ℎ𝑝𝑎 =
𝐺𝑃𝑜ℎ𝑜 + 𝐺𝑃𝑤ℎ𝑤𝑎𝑠
𝐺𝑃𝑤
48. DISEÑO DE UN TRATADOR TÉRMICO
El diseño de un tratador térmico para deshidratación de aceite crudo implica la
determinación de la geometría del recipiente y la cantidad de calor requerida
para efectuar el tratamiento.
Las ecuaciones de asentamiento y de retención nos proporcionan el volumen
requerido de recipiente para que se lleve a cabo la separación agua-aceite. En el
caso de tratadores horizontales obtendremos la longitud efectiva y el diámetro
del recipiente (Lff vs d); en el caso de tratadores verticales se obtiene la altura
de coalescencia y el diámetro del recipiente (H vs d).
La longitud o altura total del tratador dependerá del diseño de cada fabricante,
ya que cada diseño implica diferentes dispositivos qu requieren diferentes
espacios dentro de la vasija.
49. Diseño de tratador térmico horizontal
Los datos de entrada requeridos para el diseño son:
Gravedad API del aceite crudo
Densidad relativa del agua salada
Gasto de emulsión (bpd)
Contenido de agua en la emulsión (% vol)
Temperatura de entrada (°F)
Temperaturas de tratamiento (°F)
Tiempo de retención (min)
Calor específico del aceite (BTU/Lb-°F)
Calor específico del agua (BTU/Lb-°F)
Paso 1. Determinar la viscosidad de la emulsión a las temperaturas de
tratamiento.
𝜇𝑒𝑚 = 10𝑥 − 1
𝑥 = 𝑦𝑇−1.163
𝑦 = 10𝑧
𝑧 = 3.0324 − 0.02023(°𝐴𝑃𝐼)
Donde:
µem = viscosidad de la emulsión (cp)
T = temperatura de tratamiento (°F)
50. Paso 2. Determinar diámetro promedio de las partículas de agua en la
emulsión.
𝑑𝑤 = 500(𝜇𝑒𝑚).−0.675
Donde:
dw = diámetro promedio de las partículas de agua (micras)
Paso 3. Determinar geometría del recipiente con la ecuación de
asentamiento.
𝑑𝐿𝑒𝑓𝑓 = 438
𝑄𝑒𝑚𝜇𝑒𝑚
(𝛾𝑤−𝛾𝑜)(𝑑𝑤).2
Donde:
d = diámetro del recipiente (plg)
Leff = longitud de sección de coalescencia (pies)
Qo = Gasto de emulsión (bpd)
= Densidad relativa del agua
= Densidad relativa del aceite
𝛾𝑜
𝛾𝑤
Suponiendo diferentes longitudes calculamos los diámetros correspondiente para
obtener la tabla de asentamiento.
52. Paso 4. Determinar geometría del recipiente para el tiempo de
retención.
Donde:
tr = tiempo de retención (min)
Nuevamente suponemos diferentes longitudes y calculamos los diámetros
correspondiente para obtener la tabla de tiempo de retención.
Paso 5. Seleccionar el tratador más apropiado.
a) Se grafican los resultados obtenidos en las Tablas de asentamiento y de
tiempo de retención.
b) Los puntos de cruce de las líneas de asentamiento con la línea de tiempo de
retención, representaran los tratadores que pueden servirnos para tratar la
emulsión.
c) Seleccionar el que tenga el diámetro menor.
𝑑𝐿𝑒𝑓𝑓 =
𝑡𝑟𝑄𝑒𝑚
1.05
53. Paso 6. Calcular la cantidad de calor requerida para el calentamiento
de la emulsión.
𝑄𝑡𝑟𝑎𝑡 = 𝑊
𝑜𝐶𝑜 𝑇2 − 𝑇1 + 𝑊
𝑤𝐶𝑤(𝑇2 − 𝑇1)
𝑊
𝑜 = 14.58𝑄𝑒𝑚 1 − 𝑋 𝛾𝑜
𝑊
𝑤 = 14.58𝑄𝑒𝑚𝑋𝛾𝑤
Donde:
Qtrat = Calor requerido para el tratamiento (BTU/hr)
Wo = flujo másico del aceite (lb/hr)
Ww = flujo másico del agua salada (lb/hr)
Co = Calor específico del aceite (BTU/lb-°F)
Cw = Calor específico del agua salada (BTU/lb-°F)
T1 = Temperatura de entrada de la emulsión (°F)
T2 = Temperatura de tratamiento seleccionada (°F)
𝑋 =
𝑏𝑠𝑤
100
54. Diseño de tratador térmico vertical
Los datos de entrada requeridos para el diseño de un tratador térmico vertical
son los mismos que para un tratador térmico horizontal:
Los pasos 1 y 2 son los mismos que para el tratador horizontal.
Paso 3. Determinar el diámetro de recipiente con la ecuación de
asentamiento.
𝑑 = 81.8
𝑄𝑒𝑚𝜇𝑒𝑚
(𝛾𝑤−𝛾𝑜)(𝑑𝑤).2
Paso 4. Determinar geometría del recipiente para el tiempo de
retención.
𝑑2
ℎ =
𝑡𝑟𝑜𝑄𝑒𝑚
0.12
Donde:
h = altura de la sección de coalescencia (pies)
55. Suponemos diferentes longitudes y calculamos los diámetros correspondiente
para obtener la tabla de tiempo de retención.
Paso 5. Seleccionar el tratador más apropiado.
a) Se grafican los resultados de diámetro obtenidos con la ecuación de
asentamiento y los de la tabla de tiempo de retención.
b) Los puntos de cruce de las líneas de asentamiento con la línea de tiempo de
retención, representaran los tratadores que pueden servirnos para tratar la
emulsión.
c) Seleccionar el que tenga el diámetro menor.
Paso 6. Calcular la cantidad de calor requerida para el calentamiento
de la emulsión de la misma forma que para un tratador horizontal.
56. Desalado de crudo
El desalado de crudos se lleva a cabo en unos recipientes cilíndricos
denominados desaladores.
Consiste en adicionar agua fresca a la corriente de crudo de entrada para
“lavarlo” y extraerle las sales y los sólidos que trae consigo.
La adición de agua fresca cumple varias funciones:
Ayuda a la coalescencia de las pequeñas gotas de agua para formar
gotas más grandes y de más fácil remoción.
Reduce el contenido total de sal del crudo.
Provee un medio para la remoción de desemulsificantes que se hayan
adicionado.
57. La cantidad de agua dulce que debe agregarse a un crudo depende de:
Porcentaje y salinidad del agua original.
La dilución que se obtiene en el sistema de mezclas.
El porcentaje final de agua y la salinidad deseada en el crudo.
Hay dos procedimientos para alcanzar el límite señalado para la salinidad:
Reducir todavía más el porcentaje de agua en el crudo.
Diluir el agua original del crudo agregando agua dulce.
El costo del tratamiento aumenta grandemente cuando se requieren
porcentajes bajos de agua, por esto, muchas veces es más económico inyectar
agua dulce al crudo que tratar de obtener porcentajes pequeños de agua por
medio de tratamientos intensos.
58. Básicamente existen dos procesos para desalar los crudos en el campo: un
proceso simple y un proceso de dos etapas. Ambos procesos pueden usar
tratadores convencionales, equipos de precipitación eléctricos o una
combinación de ambos, dependiendo de la cantidad de sal en el crudo y de las
características de la emulsión.
Las etapas de desalación de dos etapas se aplican cuando el fluido contiene
1000 LMB o más. En algunas partes donde la cantidad de agua fresca es
crítica, se utiliza este método para desalar crudos con menos de 1000 LMB.
Con este sistema, inicialmente se llega a obtener crudos con niveles de agua
emulsionada entre 1 y 3 % de BSW y en la segunda etapa se llega a menos de
0.5 % de BSW.
59. El fundamento matemático que vincula el lavado con los volúmenes de agua y las
salinidades es como sigue:
1) Para saber la salinidad de un petróleo tratado sin agua de
lavado, utilizar cualquiera de las siguientes fórmulas:
a) Si tomamos base aceite crudo:
cst
agua
%
cst)
(salinidad
*
ct)
agua
(%
ct
sal
de
Contenido
Fundamento Matemático
Donde:
ct = crudo tratado
cst = crudo sin tratar
b) Si tomamos base agua:
sin tratar
crudo
agua
%
100
agua)
(Salinidad
*
cst)
agua
(%
*
ct)
agua
(%
ct
sal
de
Contenido
60. Por ejemplo si tenemos un crudo con las siguientes características:
- Salida del crudo del tanque lavador: 0.5 % de agua
- % de agua del crudo sin tratar: 61%
- Salinidad del agua asociada: 47000 mg/lt
Usando la fórmula anterior tenemos: Contenido de sal ct = 235 mg/lt
2) Por ello debemos efectuar un lavado con agua dulce. Si inyectamos el agua
en el colchón del tanque lavador, el contenido de sal se calcula por:
ct)
agua
(%
*
.
lavado)
agua
(%
)
sin tratar
crudo
agua
(%
)
100
lavado)
agua
(Sal.
*
lavado)
agua
(%
100
agua)
(Sal.
*
cst)
agua
(%
(
ct
sal
de
Cont.
Para el ejemplo dado si:
- % de agua de lavado: 16%
- Salinidad del agua del lavado: 900 mg/lt
Reemplazando nos queda: 187 mg/lt , con una eficiencia del 80%, tenemos
224 mg/lt
61. 3) Cambiando el punto de inyección antes del tanque lavador, la salinidad se
calcula por:
lavado
de
agua
%
sin tratar
crudo
agua
%
100
lavado)
(Sal.agua
*
lavado)
agua
(%
)
.
(
*
ct)
agua
(%
ct
sal
de
Contenido
cst
sal
Reemplazando nos queda: 11 mg/lt, con una eficiencia del 80% logramos
14 mg/lt
Por lo tanto concluimos que conviene lavar inyectando agua antes del tanque
lavador.
