capitulo..separadores 1

7/26/2019 CAPITULO..SEPARADORES 1

1/112

1

CAPTULO 1RECIBO Y SEPARACIN DEL

GAS EN LA PLANTA

2.1 Tipos de Fluidos que entran a la Planta

Cuando el gas de produccin no recibe ninguna clase de tratamiento, los

fluidos que llegan a la planta de procesamiento son como mnimo gas y agua si el

gas es seco, y gas, condensado y agua cuando el gas es hmedo y contiene una

cantidad apreciable de compuestos pesados que pueden recuperarse como lquido.

Este fluido multifsico debe ser separado en dos o tres corrientes diferentes

tales como gas, condensado y agua. La separacin fsica de los fluidos se lleva a

cabo en el primer equipo de la planta llamado separador de entrada, y se basa en los

principios de la separacin.

2.2 Principios de la Separacin

En la separacin fsica de gas y lquidos o slidos, se usan tres principios

como son momentum, accin de la gravedad y coalescencia. Un separador puede

utilizar uno o varios de estos principios, pero las fases de los fluidos deben ser

inmiscibles y tener densidades diferentes para que la separacin ocurra.


2/112

2

MOMENTUM

Las fases de los fluidos con diferentes densidades tienen tambin diferente

momentum. Si una corriente en dos fases cambia de direccin repentinamente, el

gran momentum que se desarrolla no permitir a las partculas de la fase ms pesada

voltear tan rpido como las del fluido liviano, de esta forma ocurre la separacin.

Este principio se usa para la separacin primaria de dos fases en una

corriente.

ACCIN DE LA GRAVEDAD

Gotas de lquido se separan de la fase de gas, si la fuerza de gravedad que acta

sobre la gota, es mayor que la fuerza de arrastre del gas que fluye alrededor de la

gota. Estas fuerzas se describen matemticamente usando la velocidad terminal Vt:

Ec. 2-1

(NOTA: Ver Nomenclatura en la parte final de cada Captulo.)

Cuando no se utiliza extractor de neblina, se define una constante emprica K para

dimensionamiento de separadores como:

Ec. 2-2

El coeficiente de arrastre C' es funcin de la forma de la partcula y para

efectos de esta ecuacin, se considera que la partcula corresponde al slido esfera

rgida.


3/112

3

De esta manera el coeficiente de arrastre se calcula de la siguiente expresin:

C' = exp(Y) Ec. 2-3

donde, Y = 8.411 - 2.243X + 0.273X2- 1.865*10-2X3+ 5.201*10-4X4

Dependiendo del valor del nmero de Reynolds y del tamao de las

partculas, se aplica la ley de Newton o la ley de Stokes.

Ec. 2-4

FIG. 2.1 Efecto de la Gravedad

Fuente: GPSA (Gas Processors Suppliers Association)


4/112

4

LEY DE NEWTON

Para partculas grandes (mayores de 1,000 micras), el efecto de la gravedad se

describe con la ley de Newton. El valor lmite del coeficiente de arrastre es 0.44 para

nmeros de Reynolds por encima de 500 y hasta 200,000. Con C'=0.44 en Ec. 2-1

se obtiene la ecuacin de la ley de Newton as:

Ec. 2-5

LEY INTERMEDIA

Para partculas entre 100 y 1,000 mieras y nmeros de Reynolds entr 2 y

500, se tiene la regin de ley Intermedia descrita as:

C' = 18.5(Re)-0.6 Ec. 2-6

Ec. 2-7

LEY DE STOKES

Para partculas entre 2 y 100 mieras y bajos nmeros de Reynolds (menores

de 2), existe una relacin lineal entre el coeficiente de arrastre y el nmero de

Reynolds (correspondiente a flujo laminar).


5/112

5

La Ec. 2-1 se convierte en la ley de Stokes expresada as:

Ec. 2-8

Para cada una de las leyes anteriores existe un dimetro de partcula crtico

por encima del cual la ley no aplica.

Ec. 2-9

Kcr = 18.13 para ley de Newton

Kcr = 0.334 para ley Intermedia

Kcr = 0.025 para ley de Stokes

COALESCENCIA

Partculas muy pequeas como neblina o humo no pueden ser separadas por

gravedad. Artefactos de coalescencia instalados en separadores, forzan al gas para

que siga un camino irregular, creando un gran momentum a las pequeas gotas que

produce colisin entre ellas, originando gotas ms grandes. Estas gotas ms grandes

pueden separarse de la fase gaseosa por gravedad. Ejemplos de artefactos de

coalescencia son las mallas (wire mesh screens), elementos de vena (vane elements)

y filtros de cartucho (filter cartridges).


6/112

6

2.3 Separacin Gas / Lquido

La separacin de gases y lquidos es una operacin muy frecuente en una

planta de procesamiento de gas. Existen diferentes tipos de separadores segn sea la

aplicacin particular y entre los principales se encuentran los siguientes:

Separadores verticales

Separadores horizontales

Separadores esfricos

Separadores centrfugos

Filtros separadores

Los separadores usualmente contienen cuatro secciones principales, ms los

controles necesarios. En las Figuras 2-1, 2-2 y 2-3 se muestran para separadores

verticales, horizontales y esfricos, las cuatro secciones que se describen a

continuacin:

-

Seccin A de separacin primaria, usada para separar la mayor parte del

lquido libre en la corriente de carga y que corresponde a la boquilla de

entrada, la cual puede ser tangencial o con un bafle desviador; lo cual hace

que se aplique el primer principio de separacin, por el cambio repentino de

direccin.

- Seccin B de separacin secundaria, usada para separar las gotas de lquido

que son arrastradas por el gas y que corresponde a la parte de la vasija a

travs de la cual se mueve el gas a relativa baja velocidad, y donde se aplica

el segundo principio de separacin por accin de la fuerza de la gravedad.


7/112

7

- Seccin C de coalescencia, usada para remover gotas de lquido muy

pequeas mediante el tercer principio de separacin, al chocar contra una

superficie donde ellas coalescen y se vuelven ms grandes. Un valor tpico

del lquido que puede ser arrastrado a travs de un extractor con neblina es de

0.1 galn por milln de pies cbicos estndar.

- Seccin D colectora de lquido, usada para almacenar todo el lquido

separado del gas en las tres secciones anteriores. Dependiendo de los

requerimientos, esta seccin de lquido debe tener un cierto volumen para

manejar disturbios o baches de lquido, por encima del nivel mnimo

requerido para tener un buen control operacional.

SEPARADORES VERTICALES

Normalmente se usa este tipo de separador cuando el contenido de lquido en el

gas es muy bajo (altas relaciones gas/lquido). Los fluidos entran a la vasija y

golpean el bafle de la boquilla de entrada, esto inicia una separacin primaria y el

lquido removido cae al fondo de la vasija.

El gas se mueve hacia arriba pasando generalmente por un extractor de neblina,

en el cual las pequeas gotas del lquido coalescen y se remueven del gas cayendo al

fondo de la vasija. De esta forma el gas se "seca" y sale del separador. Una

aplicacin tpica de separador vertical es en la succin de compresores en cuyo caso:

- No se necesita una retencin de volumen lquido significativa.

- El nivel del lquido responde rpidamente accionando una alarma o una

vlvula de corte de flujo de gas.

- El separador ocupa poco espacio.


8/112

8

FIG. 2-1

Separador vertical


SEPARADORES HORIZONTALES

Son ms eficientes para grandes cantidades de fluidos y cuando gran cantidad de

gas disuelto est presente con el lquido. En esta configuracin la gran rea

superficial del lquido, suministra condiciones ptimas para liberar el gas disuelto.

Una aplicacin tpica de separador horizontal es en una estacin de produccin en

la cual:


9/112

9

- Un volumen grande del lquido tiene un tiempo de retencin alto, permitiendo

que se libere el gas disuelto.

- Ms rea superficial por volumen de lquido para ayudar a la completa

desgasificacin.

- La configuracin horizontal maneja mejor la formacin de espuma.

- El nivel de lquido responde lentamente a los cambios en el inventario de

lquido.


10/112

10

FIG. 2-2

Separador horizontal



11/112

11

SEPARADORES ESFRICOS

Estos separadores se usan ocasionalmente para servicios a alta presin y

volmenes de lquido pequeos.

FIG. 2-3

Separador esfrico



12/112

12

SEPARADORES CENTRFUGOS

Estos equipos sirven para separar slidos y lquidos de una corriente de gas. Su

diseo es especial y propio de cada fabricante; el cual debe ser consultado para

obtener asistencia sobre el dimensionamiento de este tipo de separador.

Su seleccin debe ser muy cuidadosa y para algunas aplicaciones no sirve.

La principal ventaja de un separador centrfugo sobre un filtro separador, es que

requiere mucho menos mantenimiento. Algunas desventajas del separador

centrfugo son:

- Algunos diseos no manejan baches de lquido (slugs).

- La eficiencia no es tan buena como en otro tipo de separadores.

- La cada de presin tiende a ser ms alta que en separadores con elementos de

vena o con extractor de niebla.

- Para altas eficiencia tiene un rango de flujo muy estrecho.


13/112

13

FIG. 2-4

Separador centrfugo



14/112

14

FILTROS SEPARADORES

Este tipo de separador tiene una mayor eficiencia que el separador centrfugo,

pero usa elementos de filtracin que deben ser reemplazados peridicamente. De la

misma forma que el separador centrfugo, su diseo es especial y propio de cada

fabricante.

FIG. 2-5

Filtro separador



15/112

15

2.4 Separador De Entrada

La tubera donde finaliza el sistema de recoleccin y entra a la planta de

procesamiento, est equipada con varias vlvulas. Estas vlvulas estn diseadas

para proteger las vasijas de la planta por una sobrepresin, as como para controlar

la rata de flujo de los fluidos que entran.

En la Figura 2-6 se muestra un separador de entrada tpico, en el cual pueden

verse las vlvulas y los accesorios que se utilizan para controlar las diferentes

variables como presin, flujos y niveles, y para medir la produccin tanto del gas,

como del condensado y el agua.

La funcin principal de este equipo es separar el gas, el hidrocarburo

condensado y el agua. Una segunda funcin muy importante, es actuar de

amortiguador (slug catcher) para recibir los baches de lquido que pueden venir con

el gas.

Cuando grandes cantidades de fluidos llegan a la planta, se usa normalmente

una vasija horizontal, la cual puede ser un separador de dos o tres fases,

dependiendo de la composicin del gas que entra. Adicionalmente, el separador se

sobredimensiona si va a actuar como slug catcher.

El diseo del separador horizontal de entrada a la planta de procesamiento,

considera la cantidad del gas y un estimado de los baches de lquido que puedan

llegar por inestabilidad en el sistema de recoleccin de gas. Parte del rea transversal

del separador se dedica a la separacin de gas de los lquidos, y parte se usa para

colectar los lquidos.


16/112

16

A continuacin se presentan algunos conceptos para el diseo bsico de

separadores gas - lquido.

2.5 Generalidades Para Diseo De Separadores

Gas Lquido

Para disear tanto el separador de entrada como los equipos aguas abajo de

este, es necesario conocer la cantidad, composicin y propiedades de la carga a la

planta y la cantidad, composicin y propiedades de los productos del separador en

las fases de vapor y lquida. Lo anterior se logra mediante un clculo "Flash" el cual

puede hacerse manualmente siguiendo un procedimiento de clculo como el descrito

en el GPSA Data Book (]) Section 25; o por computador, para lo cual existe una

amplia gama de programas en el mercado, desde programas para clculos sencillos

hasta simuladores de procesos. Adicionalmente, con respecto al lquido que pueda

llegar con el gas de carga, es necesario conocer su cantidad y tipo, si viene como

niebla, como un bache (slug) o si est libre de lquido.

Dependiendo del mecanismo de separacin, los separadores tienen o no

extractores de neblina "Woven Wire Demisters".


17/112

FIG. 2-6

Separador tpico de entrada


18/112

18

SEPARADORES SIN EXTRACTORES DE NEBLINA

Este separador es tpicamente una vasija horizontal en la cual se utiliza la

gravedad como mecanismo para separar las fases lquido y vapor. Eldimensionamiento se hace usando la Ec. 2-1, el coeficiente de arrastre de la Ec. 2-3

y el tamao mnimo de gota a ser removido (entre 150 y 2,000 micras - 1 micra =

10-4cm = 0.00003937 pulgadas), usualmente se toma un valor de 150 micras.

La longitud requerida de la vasija puede ser calculada asumiendo que el

tiempo que emplea el gas para ir de la entrada a la salida, es igual al tiempo que

emplea una gota de lquido de tamao Dp para caer desde la parte superior de lavasija hasta la superficie de lquido. Asumiendo que no hay retencin o

almacenamiento de lquido, la longitud est dada por:

Ec. 2-10

Si el separador va a usarse adicionalmente para almacenar lquido, se requiere

un mayor tamao de la vasija.

Aunque los separadores pueden ser de cualquier longitud, usualmente la

relacin longitud costura - costura a dimetro interno de la vasija ( L/DV ) est en el

rango de 1.5:1 a 6:1.

Para separadores verticales sin extractor de neblina, se usan las ecuaciones

Ec. 2-11 y Ec. 2-12 con un valor de K o C igual a la mitad de los utilizados para

separadores verticales con extractor de neblina (ver Tabla 2-1 ms adelante), o el K


19/112

19

terico que se calcula con la Ec. 2-2 para la cual, el coeficiente de arrastre C' se

puede calcular con la Ec. 2-3 o de la Fig. 2-7 (Fig. 7-3 del GPSA).

EJEMPLO 2-1

Un separador horizontal sin extractor de neblina se requiere para manejar 50

MMscfd de un gas con gravedad especfica 0.72, un factor de compresibilidad de 0.9

y una viscosidad de 0.013 cP; a una presin de 550 psig y una temperatura de 100

F.

Se desea remover el lquido cuyo tamao de gota sea mayor de 150 micras, la

gravedad especfica del lquido es 0.50.

No se requiere almacenamiento de lquido.

SG(gas)= PM(gas)/ PM(aire) PM(aire)= 28.9625 lb/lbmol

PM(gas)= 0.72 (28.9625) = 20.85 lb/lbmol R = 10.73 psia ft3/R Ibmol

Densidad del gas,

SG(lq)= (lq)/ (agua) (agua) = 62.4 lb/ft3


20/112

20

Densidad del lquido, (lq)= (0.50)(62.4) = 31.2 lb/ft3

Flujo msico de gas,

Dimetro de partcula,

Dp = 0.000492 ft

De la Ec. 2-3 se calcula el coeficiente de arrastre C',

Y = 8.411 - 2.243X + 0.273X2- 1.865*10-2X3+ 5.201 *10-4X4


21/112

FIG. 2-7

Coeficiente de arrastre


22/112

22

Y = 8.411 - 2.243(8.351) + 0.273(8.351)2- 1.865*10-2(8.351)3 + 5.201*10-4(8.351)4

Y = 0.386

C' = exp(Y) = exp(0.386) = 1.47

Velocidad terminal de Ec. 2-1,

Vt= 0.437 ft/s

Flujo de gas,

Qa= Mv/g= 31.75/2.18 = 14.56 ft3/s

Para estimar el dimetro de la vasija, consideramos que el tiempo que emplea el

gas para ir de la entrada a la salida, es igual al tiempo que emplea una gota de lquido

de tamao Dp para caer desde la parte superior de la vasija hasta la superficie de

lquido,y que es de 10 segundos,

t = Dv/ Vt

Dv = t * Vt= 10 s * 0.437 ft/s = 4.37 ft


23/112

23

* Vamos a un dimetro de 4.5 ft ( 54 in.)

* (Ver Criterios para Fijar las Dimensiones Finales de los Recipientes ms Adelante).

Longitud de la vasija,

Relacin L/DV= 10.0/4.5 = 2.22 (Entre 1.5:1 y 6:l).

SEPARADORES CON EXTRACTORES DE NEBLINA (MIST EXTRACTOR)

Los extractores de neblina se usan en separadores verticales y horizontales, para

remover gotas de lquido tan pequeas como 10 mieras y menos. Su eficiencia es

buena cuando la velocidad del gas es lo suficientemente baja para que rearrastre de las

gotas grandes que se forman no se produzca.

En plantas donde hay posibilidades de ensuciamiento o formacin de hidratos

no se usan mallas "mesh"; en su lugar, separadores de vena o centrfugos son ms

apropiados. El espesor ms usado para las mallas es 6 pulgadas con una densidad entre

9 y 12 lb/ft3y el mnimo espesor recomendado es 4 pulgadas.

La orientacin preferida para las mallas es en el plano horizontal; cuando se

instalan en posicin vertical, se ha experimentado que son menos eficientes. El marco

que contiene la malla debe ser diseado para que la mantenga en su lugar durante

disparos de la vlvula de seguridad, o en cualquier situacin de alta velocidad del

vapor.

La cada de presin a travs de la malla es bastante baja (menos de 1 pulgada de

agua) y se considera despreciable en la mayora de las aplicaciones. El efecto de cada


24/112

24

de presin puede ser significativo en el diseo de servicios al vaco o cuando hay un

equipo como un soplador o ventilador, para lo cual debe contactarse al fabricante de

las mallas.

SEPARADORES VERTICALES CON EXTRACTORES DE NEBLINA

Los separadores verticales con extractores de neblina usualmente se

dimensionan con ecuaciones derivadas de la Ec. 2-1. Las dos ms comunes son la

ecuacin de velocidad crtica:

Ec. 2-11

y la correlacin desarrollada por Souders y Brown (2)que relaciona el dimetro de la

vasija con una velocidad de vapores que no cause arrastre de lquido:

, lb/h-ft2 Ec. 2-12

Ntese que si ambos lados de la Ec. 2-11 se multiplica por la densidad del gas, es igual

a la Ec. 2-12 cuando:

C =3600 K Ec. 2-13


25/112

25

SEPARADOR VERTICAL CON EXTRACTOR DE NEBLINA


SEPARADORES HORIZONTALES CON EXTRACTORES DE

NEBLINA

Los separadores horizontales con extractores de neblina se dimensionan con una

variacin a las Ec. 2-11 y 2-12 que incluye un factor de longitud, por el camino que

sigue el flujo de gas:


26/112

26

Ec. 2-14

Ec. 2-15

En un separador horizontal, la fuerza de arrastre del gas no es directamente

opuesta a la fuerza gravitacional como en un separador vertical. Ea velocidad real de la

gota se asume como la suma vectorial de la velocidad terminal vertical y la velocidad

horizontal del gas.

Adems, la longitud mnima de la vasija se calcula asumiendo que el tiempo

que emplea el gas para ir de la entrada a la salida, es igual al tiempo que emplea una

gota de lquido de tamao Dppara caer desde la parte superior de la vasija hasta la

superficie de lquido.

En la Tabla 2-1 se dan algunos valores tpicos de las constantes empricas K y C

para dimensionamiento de separadores con extractores de neblina.


27/112

27

SEPARADOR HORIONTAL CON EXTRACTOR DE NEBLINA


FILTROS SEPARADORES

El tamao del cuerpo para un filtro separador horizontal puede estimarse

usando un valor de K = 1.3 en la Ec. 2-11. Esto suministra un tamao aproximado

para una unidad diseada para remover agua (otras variables tales como viscosidad

y tensin superficial se consideran para el dimensionamiento real). Unidades

diseadas para remover agua sern ms pequeas que unidades para remover

hidrocarburos livianos.

Los fabricantes aseguran un 100% de remocin de lquidos para gotas mayores

de 8 mieras y un 99.5% para gotas entre 0.5 y 8 mieras. Sin embargo las garantas

para el desempeo de separadores y filtros son muy difciles de verificar en el

campo.


28/112

28

El dimensionamiento de los separadores utilizando las ecuaciones Ec. 2-11, 2-12,

2-14 y 2-15, corresponde solamente a la separacin de las fases vapor y lquido y no

considera el espacio requerido para retencin de lquido; por lo tanto, para llegar a las

dimensiones finales reales es necesario hacer las provisiones para almacenamiento,control de nivel de lquidos y manejo de perturbaciones aguas abajo o aguas arriba

tales como baches (slugs) de lquido.

Hay algunos artculos tcnicos y procedimientos de compaas de ingeniera

sobre el diseo de separadores; sin embargo, a pesar de que las ecuaciones bsicas

como las anteriormente indicadas son bien conocidas, existen criterios subjetivos en la

seleccin de los parmetros usados en dichas ecuaciones.

A continuacin se describe un procedimiento paso a paso para el

dimensionamiento de separadores de dos y de tres fases con base en una publicacin

de Svrcek & Monnery (3, 4).

CRITERIOS PARA FIJAR DIMENSIONES FINALES DE LOS RECIPIENTES

Una vez que se obtengan las dimensiones por clculos del equipo, se deben

ajustar a las medidas establecidas como comerciales.

Los constructores de recipientes emiten catlogos con las medidas comerciales

para las distintas partes del equipo.

Para fijar el dimetro del recipiente, las dimensiones para vasijas hasta 2 ft (24

in.) de dimetro, tienen las dimensiones nominales de una tubera. Para dimetros

mayores, se usan lminas enrolladas con incrementos de 0.5 ft (6 in.), o sea que el

dimetro se ajustar segn el caso, al dimetro superior generalmente, o al inferior.


29/112

29

Para fijar la longitud del recipiente, es necesario conocer la altura estndar de

las placas comerciales que son:

4ft 6ft 12 ft8ft 10 ft

Las placas ms comunes son las de 6 y 8 pies. Para fijar la longitud real se

redondea la longitud calculada segn la altura comercial de la placa o combinacin de

ellas.

A continuacin se presentan ejemplos de longitudes recomendadas.

Longitud Combinaciones Sugeridasft

14 8 ft y 6 ft

16 8 ft y 8 ft

18 3 de 6 ft

20 10 ft y 10 ft

22 8 ft 8 ft y 6ft

24 3 de 8 ft

Para longitudes mayores se contina con el mismo criterio.

Por ejemplo, si por clculo se obtiene una longitud de 6' 20", es conveniente

fijar la longitud en 8' 00", dado que si se fija en 7' 00", el fabricante cobrara ms caro

el recipiente; puesto que su costo incluira la placa de 8" O" y el trabajo del corte y

biselado para la placa de 7' O". Adems, las placas comerciales ya vienen biseladas.


30/112

30

TABLA 2-1

a. GPSA ( O < P(psig)< 1,500 )

FACTORES K & C PARA DIMENSIONAMIENTO

DE EXTRACTORES DE NEBLINA (WOVEN WIRE DEMISTERS)

Tipo de SeparadorK

(ft/s)C

(ft/h)

Horizontal (con malla vertical) 0.40 - 0.50 1440 - 1800

Esfrico 0.20 - 0.35 720 - 1260

Vertical / Horizontal (con malla horizontal) 0.18 - 0.35 648 - 1260

@ Presin atmosfrica - 100 psig ( 1 ) 0.35 1260

Vapor de agua hmedo 0.25 900

Vapores al vaco 0.20 720

Evaporadores de sales y custicos 0.15 540

Notas

1. K = 0.35-0.0001(P-100). P = 100 a 1,500 psig.

2. Para soluciones de glicol y amina multiplicar K por 0.6 - 0.8.

3.

Para dimensionamiento aproximado de separadores verticales sin extractor de

neblina usar la mitad de los valores de K y C de la tabla.

4. Para tambores en succin de compresores y expansores multiplicar K por 0.7 -

0.8.


31/112

31

b.

YORK DEMISTER ( O < P(psia)< 5,500 )

1


32/112

32

PROCEDIMIENTO PARA DISEO DE SEPARADORES VERTICALES DEDOS FASES

1. Calcular la velocidad vertical terminal del vapor Vtcon la Ec. 2-11. Hacer Vv=

0.75 * Vtpara un diseo conservativo.

Seleccionar K de la Tabla 2-1 para separador con extractor de neblina, o

calcular K terico para separador sin extractor de neblina con la Ec. 2-2.

2. Calcular el flujo msico Mvy el flujo volumtrico real Qadel gas.

Mv= (scfd)*PM / (380*24*3600), lb/s Ec. 2-16

Qa = Mv/g, ft3/s Ec. 2-17

g= P(PM) / RTZ , lb/ft3 Ec. 2-18

3. Calcular el dimetro interno de la vasija Dv:

Ec. 2-19

Si la vasija no tiene extractor de neblina, el dimetro interno de la vasija Dves

igual al dimetro para retiro de lquido al vapor Dvd.

Si hay extractor de neblina, adicionar de 3 a 6 in. al Dvdpara acomodar el anillo

de soporte y redondear en incrementos de 6 in, para obtener el Dv.


33/112

33

4. Calcular el flujo volumtrico de lquido QL:

QL= ML/ L, ft3/min Ec. 2-20

5. Seleccionar el tiempo de retencin "holdup" Th de la Tabla 2-2 y calcular el

volumen de retencin Vh:

Vh= Th* QL, ft3 Ec. 2-21

6. Si el volumen para manejo de perturbaciones Vs no est especificado,

seleccionar el tiempo para manejo de perturbaciones Ts "surge time" de la

Tabla 2-2 y calcular el Vs:

Ec. 2-22


34/112

34

TABLA 2-2

Tiempos de retencin y de perturbacin

SERVICIOS TiempoRetencin Th,min

TiempoPerturbacin Ts,min

A. Tambor de carga a una planta 10 5

B. SEPARADORES

Bl. Carga a columna 5 3

B2.Alimento a otro tambor o a tanque con bomba

o a travs de un intercambiador5 2

B3. Alimento a otro tambor o a tanque sin bomba 2 1

B4. Alimento a un horno 10 3

C. ACUMULADOR DE REFEUJO O PRODUCTO

Cl. Reflujo solamente 3 2

C2. Reflujo y producto 3 + (*) 2 + (**)

( * ) = Thde Bl, B2, B3 o B4 segn sea destino del producto de cima( ** ) = Tsde Bl, B2, B3 o B4 segn sea destino del producto de cima

D. ACUMULADOR DE FONDOS EN UNA COLUMNA

DI. Alimento a otra columna 5 2

D2.Alimento a otro tambor o a tanque con bomba

o a travs de un intercambiador5 2

D3. Alimento a otro tambor o a tanque sin bomba 2 1

D4. Alimento a un homo reherbidor 3 + (#) 2 + ( ## )

( # ) = Thde DI, D2, o D3 segn sea destino del producto de fondos

( ## ) = Tsde DI, D2, o D3 segn sea destino del producto de fondos

E. TAMBORES INTERETAPAS A SUCCIN DE COMPRESORES

3 min. entre HLL y altura mxima para disparo del compresor. 10 min. desde la lnea tangente de fondo de la vasija hasta HLL.

F. TAMBOR DE TEA20 a 30 min. desde la lnea tangente de fondo de la vasija hasta HLL.


35/112

35

7. Obtener la altura de bajo nivel de lquido HLLLde la Tabla 2-3.

8. Calcular la altura para retencin de lquido Hh(mnimo 1 ft), entre bajo nivel

de lquido LLL y nivel normal de lquido NLL:

Ec. 2-23

TABLA 2-3

Altura De Bajo Nivel De Liquido - Hlll

Dimetro de la

Vasija

Tambor Vertical

HLLL , in.

Tambor Horizontal

HLLL , in.

ft < 300 psia > 300 psia

4 15 6 9

6 15 6 10

8 15 6 11

10 6 6 12

12 6 6 13

16 6 6 15

9.

Calcular la altura para manejo de perturbaciones Hs( mnimo 6 in ), entre nivelnormal de lquido NNL y alto nivel de lquido HLL (o alarma por alto nivel

HLA):

Ec. 2-24


36/112

36

10.Calcular el tamao de la boquilla de entrada:

Ec. 2-25

Como dN se calcula en pies, multiplicar por 12 para llevar a pulgadas y

redondear al estndar superior en pulgadas. Convertir nuevamente a pies para

usar dicho valor en las ecuaciones que siguen.

11.

Calcular la altura entre alto nivel de lquido HEE y la lnea de centro de la

boquilla de entrada:

Con platina desviadora de flujo,

HLIN= 1 + dN, ft Ec. 2-26

Sin platina desviadora de flujo,

HLIN=l+(l/2)dN, ft


37/112

37

12.Calcular la altura para retiro de lquido al vapor Hddesde la lnea de centro de

la boquilla de entrada hasta:

a. la lnea tangente de cima de la vasija si no hay extractor de neblina, ob. el fondo del extractor de neblina.

Escoger el mayor valor entre,

Hd= 0.5*Dv, ft Ec. 2-27

yHd= 3 + (1/2)dN, ft (sin extractor de neblina)

Hd= 2 + (1/2)dN, ft (con extractor de neblina)

13.Si hay extractor de neblina tomar 6 pulgadas (0.5 ft) para la malla y 1 ft desde

la cima de la malla hasta la lnea tangente de cima de la vasija, Hme.

14.Calcular la altura total de la vasija HT:

HT = HLLL+ Hh+ HS+ HLIN + Hd+ Hme, ft Ec. 2-28

donde Hmees la altura del paso 13, normalmente 1.5 ft. Si no hay extractor de

neblina Hme= 0.


38/112

38

FIG. 2-9. Separador horizontal de dos fases

PROCEDIMIENTO PARA DISEO DE SEPARADORES HORIZONTALES

DE DOS FASES

1. Calcular el flujo volumtrico de vapor Qacon la Ec. 2-17.

2. Calcular el flujo volumtrico de lquido QLcon la Ec. 2-20.

3. Calcular la velocidad vertical terminal del vapor Vtcon la Ec. 2-11.

Como el separador es horizontal debe usarse el valor de K cuando no hay

extractor de neblina.


39/112

39

Por lo anterior, para el clculo de Vt se usa el valor de K de la Tabla 2-1

dividido por 2 si tiene extractor de neblina, o se calcula el K terico para

separador sin extractor de neblina con la Ec. 2-2. Hacer Vv= 0.75Vtpara un

diseo conservativo.

4. Seleccionar el tiempo de retencin "holdup" Th de la Tabla 2-2 y calcular el

volumen de retencin Vhusando la Ec. 2-21.

5. Si el volumen para manejo de perturbaciones Vs no est especificado,

seleccionar el tiempo para manejo de perturbaciones Ts"surge time" de la Tabla

2-2 y calcular el Vsusando la Ec. 2-22.

6. Estime un valor de L/DVsegn lo siguiente:

Presin de Operacin L/DV

de la Vasija , psig

0 < P < 250 1.5 - 3.0

250 < P 500 4.0 - 6.0

Calcular un dimetro interno inicial de vasija Dv, redondeando a los

siguientes 0.5 ft, as:

Ec. 2-29


40/112

40

Calcular el rea total transversal:

Ec. 2-30

7. Calcular la altura de bajo nivel de lquido HLLLde la Tabla 2-3 o de la siguiente

expresin:

HLLL= 0.5 * Dv + 7 , in Ec. 2-31

donde Dven ft y se redondea a las siguientes 0.5 pulgadas (in.).

Si Dv< 4'0", HLLL= 9 m.

8. Calcular la relacin HLLL / DVcon HLLLen pies y obtener ALLL / Atusando la

Tabla 2-4.

Calcular al rea transversal para bajo nivel de lquido ALLL.

9. Si no hay extractor de neblina, la altura mnima Hvd del rea para retiro de

lquido al vapor Avdes el mayor valor entre:

0.2 *DVo 1.0 ft

Si hay extractor de neblina, la altura mnima Hvddel rea para retiro de lquido

al vapor Avdes el mayor valor entre:

0.2 * Dvo 2.0 ft


41/112

41

Calcular la relacin Hvd/ Dvy obtener Avd/ Atusando la Tabla 2-4. Calcular al

rea transversal para retiro de lquido al vapor Avd.

TABLA 2-4

Conversin altura y rea cilndrica

Y = ( a + cX + eX2+ gX3+ iX4) / ( 1.0 + bX + dX2+ fX3+ hX4)

H / D a A / At: X = H/D A/Ata H/D: X = A / At

Y = A / At Y = H/D

a = -4.76E-05 a = 0.00153756

b = 3.924091 b = 26.787101c = 0.174875 c = 3.299201

d = - 6.358805 d = - 22.923932

e = 5.668973 e = 24.353518

f= 4.018448 f = - 14.844824

g = - 4.916411 g = - 36.999376

h = - 1.801705 h= 10.529572

i = - 0.145348 i = 9.892851


42/112

42

10. Calcular la longitud mnima para acomodar el lquido por retencin

y perturbaciones:

Ec. 2-32

11. Calcular el tiempo de cada t de la gota de lquido:

t = Hvd/Vv, s Ec. 2-33

12. Calcular la velocidad real del vapor Vva:

Vva= Qa/Avd, ft/s Ec.2-34

13.

Calcular la longitud mnima requerida para retiro de lquido al vapor Lmin:

Lmin= Vva*t , ft Ec.2-35

14. Si L < Lmin, hacer L = Lmin. La longitud de la vasija est controlada por la

separacin vapor / lquido, y simplemente resulta un espacio extra para

retencin de lquido.

Si L


43/112

43

Si L > Lmin, la longitud de la vasija L es aceptable para separacin vapor /

lquido.

Si L >> Lmin, est controlando la altura para retencin de lquido y solamenteL puede ser disminuido y Lmin aumentado si Hvd es disminuido. Hvd puede

solamente ser disminuido si es mayor que el valor mnimo especificado en el

paso 9. Si Hvd se reduce, repetir los clculos desde el paso 9. (>

significan diferencias superiores al 20 %).

Calcular L / Dv. Si L / Dv> 6.0, incrementar Dvy repetir los clculos desde el

paso 6. Si L / Dv< 1.5 disminuir Dvy repetir los clculos desde el paso 6.

15. Calcular el espesor del casco y los cabezales de acuerdo con la Tabla 2-5.

16. Calcular el rea superficial del casco y los cabezales de acuerdo con la Tabla

2-5.

17.

Calcular el peso aproximado de la vasija de acuerdo con la Tabla 2-5.

18. Barrer el rango L/DV1 .5 a 6 .0 con pasos en dimetro de seis pulgadas.

19. Determinar el tamao ptimo de vasija (mnimo peso) y calcular los niveles

de lquido normal y alto:

ANLL= ALLL+ Vh /L, ft2 Ec. 2-36

Con ANLL/ Atobtener HNLLde la Tabla 2-4.

HHLL= Dv- Hvd, ft Ec. 2-37


44/112

44

TABLA 2-5

Espesor de pared, rea superficial y peso

Aproximado de vasija

Notas:

P , presin de diseo psig (tpicamente presin de operacin + 15 -30 psi o 10 -

15 % de P, lo que sea mayor).

T , temperatura de diseo F ( tpicamente temperatura de operacin + 25 -

50 F si Top> 200 F, si Top< 200 F hacer T = 250 F).

Si hay sobrepresin por ebullicin hacer T = temperatura de burbuja.

Por debajo de 650 F no reducir espesor de pared.

D , dimetro interno, in.


45/112

45

S , tensin permisible, psi (Ver Anexo 2-1 correspondiente al cdigo

ASME B 31.1 (5)).

E , eficiencia de junta, (0.6 - 1.0), 0.85 para examen puntual de juntas, 1.0para examen de juntas con rayos X.

tc , corrosin permisible, in., tpicamente entre 0 y .

t , in., el mayor valor entre tsy th(aproximar al 1/8").

SELECCIN DE CABEZAS

1. Cabeza elptica 2:1

Tiene una relacin de 2 a 1 entre el dimetro mayor y el menor de la elipse,

correspondiendo por lo tanto a media elipse. Es la ms utilizada por representar

un tipo intermedio de media presin. La resistencia de la cabeza es

aproximadamente igual a la de un casco cilndrico sin costura con el mismo

dimetro.

Tpicamente se usa cuando D < 15 ft y P > 100 psig.


46/112

46

FIG. 2-10

Cabeza elptica

2.

Cabeza hemisfrica

Consiste en media esfera y es la que requiere menos espesor de todas,

aproximadamente el 50 % del espesor de la seccin cilndrica para resistir la misma

presin. Es la ms fuerte para un mismo espesor dado, pero tiene la desventaja de

ser ms elaborada que las otras dos.

Tpicamente se usa cuando D > 15 ft sin importar la presin.

Figura 2-11. Cabeza hemisfrica


47/112

47

3. Cabeza torisfrica con radio de rtula, r = 0.06D0

Consiste en una seccin esfrica de radio igual al dimetro externo del cilindro,

que se une a este por medio de una curva circular con un radio mnimo de un 6 %del radio de la esfera. Esta cabeza requiere menos elaboracin que la elptica 2 a 1,

pero necesita 80 % ms de espesor y para determinado nivel de presin, puede salir

ms econmica una cabeza elptica.

Tpicamente se usa cuando D < 15 ft y P < 100 psig.

Figura 2-12

Cabeza torisfrica


48/112

48

EJEMPLO 2-2

Dimensionar un separador horizontal con extractor de neblina para separar

130,380 Ib/h de gas con densidad de 4.22 lb/ft

3

y 39,871 Ib/h de lquido con densidadde 33.74 lb/ft3. La temperatura y la presin de operacin es 100 F y 900 psig

respectivamente, y la temperatura de diseo 650 F.

Los tiempos de retencin de lquido y de manejo de perturbaciones son 10 min.

y 5 min. respectivamente. El material para la construccin del separador es acero al

carbn A-516 grado 70.

1. Calcular Qa(Ec. 2-17),

2. Calcular QL(Ec. 2-20),

3. Calcular V, (Ec. 2-11), De Tabla 2-1 , K = 0.35 - 0.0001 (900 - 100)

K = 0.270, usar K/2 en separador horizontal

4. Calcular Vh(Ec. 2-21), Vh= (10 min)(19.70 ft3/min) = 197.0 ft3


49/112

49

5. Calcular Vs(Ec. 2-22), Vs= (5 min)( 19.70 ft3/min) = 98.5 ft3

6. Asumir L/DV= 5 y calcular Dv(Ec. 2-29),

Calcular At(Ec. 2-30), At= (5.0)274 = 19.63 ft2

7. Calcular HLLL(Ec. 2-31), HLLL= 0.5(5.0) + 7 = 9.5 in. usar 10.0 in.

8. Calcular HLLL/ Dv= (10.0/12) ft / 5.0 ft = 0.167 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y = 0.110 = ALLL/ At

ALLL= 0.110(19.63) = 2.16 ft2

9. Hacer Hvd= 2.0 ft, Hvd/ Dv= 2.0 / 5.0 = 0.4 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y = 0.374 = Avd/ At

Avd= 0.374(19.63) = 7.34 ft2

10. Calcular L (Ec. 2-32),

11. Calcular t (Ec. 2-33), t = 2.0 / 0.268= 7.46 s


50/112

50

12. Calcular Vva(Ec. 2-34), Vva= 8.58 / 7.34 = 1.17 ft/s

13. Calcular Lmin(Ec. 2-35), Lmin= 1.17(7.46) = 8.73 ft

14. L >> Lmin pero Hvdes el mnimo y no puede ser disminuido, luego L no se

puede disminuir.

Calcular L/ Dv= 29.5 / 5.0 = 5.9

15. Calcular tsy thde acuerdo con la Tabla 2-5,

P = 1.1 (900psig) = 990psig

S= 17,500 psi del Anexo 2-l, Table A - l, p. 115

E = 0.85

tc = 1/16"

Usar cabeza elptica 2:l (D < 15 ft y P > 100 psig)

Espesor del casco,

ts = 2.142" usar 2 - 1/4"

Espesor de la cabeza,

th= 2.073" usar 2 - 1/8"

Seleccionar t, t > th , luego t = 2 - 1/4" (2.25 in.)


51/112

51

16. Calcular Asy Ah(Tabla 2-5), As= (5.0)(29.5) = 463.38 ft2

Ah = 1.09(5.0)

2

= 27.25 ft

2

17. Calcular W (Tabla 2-5),

W= 47,580 lb

18. Barrer el rango L/DV1 .5 a 6 .0 con pasos en dimetro de seis pulgadas.

19. A fin de terminar los clculos se asume que el peso de vasija W obtenido con

Dv = 5.0 ft es el ptimo, y se calculan los niveles de lquido normal y alto.

Calcular ANLL(Ec. 2-36), ANLL= 2.16+ 197.0 / 29.5 = 8.84 ft2

ANLL/ At= 8.84 / 19.63 = 0.45 = X

De la Tabla 2-4 calcular, Y = 0.461 =HNLL/DV

HNLL= 0.461(5.0) = 2.31 ft

HNLL= 27.72 in. usar 28 in.

Calcular HHLL(Ec. 2-37), HHLL=5.0 - 2.0 = 3 ft.


52/112

52

2.7 Dimensionamiento de Separadores de Tres Fases

Al igual que para separadores de dos fases, los separadores trifsicos pueden ser

verticales (Figura 2-13) u horizontales (Figura 2-15); sin embargo, tpicamente

predominan los horizontales. La orientacin vertical se usa cuando se requiere separar

una gran cantidad de vapor, de una pequea cantidad de lquidos liviano y pesado (> Lmin, est controlando la altura para retencin de lquido y solamente L

puede ser disminuido y Lmin aumentado si Hvd es disminuido. Hvd puede


paso 6. Si Hvdse reduce, recalcular Avdy repetir los clculos desde el paso 9.

(> significan diferencias superiores al 20 %).

14. Calcular la velocidad de asentamiento de las gotas de lquido pesado sobre la

fase lquida liviana VHLy la velocidad de ascenso de las gotas de lquido liviano


70/112

70

sobre la fase lquida pesada VLH, usando las Ecs. 2-40 y 2-41. (ksse calcula de

la Ec. 2-39 o se obtiene de la Tabla 2-6).

15.

Calcular el tiempo de asentamiento para las gotas de lquido pesado a travs dela fase liviana tHL y el tiempo de ascenso de las gotas de lquido liviano a

travs de la fase pesada tLH:

tHL= 12(DV- Hvd- HHL) / VHL, min Ec. 2-54

tLH= 12HHL/ VLH, min Ec. 2-55

16. Calcular la relacin HHL / Dvy obtener AHL / Atusando la Tabla 2-4.

Calcular al rea transversal para lquido pesado AHL.

Calcular los tiempos de residencia para lquido pesado y liviano:

HL= AHLL/ QHL, min Ec. 2-56

LL= (At- Avd- AHL)L / QLL, min Ec. 2-57

17. Si HL < tLH o LL < tHL, la separacin de lquido est controlando, entonces

incrementar la longitud de la vasija L:

Ec. 2-58

18. Calcular L / Dv,

Si L / Dv significan diferencias superiores al 20 %).


71/112

71

19. Calcular el espesor del casco tsy de las cabezas thde acuerdo con la Tabla 2-5.

20. Calcular el rea superficial del casco Asy las cabezas Ahde acuerdo con la

Tabla 2-5.

21. Calcular el peso aproximado de la vasija de acuerdo con la Tabla 2-5.

22. Incrementar o disminuir el dimetro de la vasija en incrementos de 6 in. y

repetir los clculos desde el Paso 5, hasta que L / Dvcaiga en el rango de 1.5 a

6.0.

23.

Usando el tamao ptimo de vasija (mnimo peso) calcular los niveles alto y

normal de lquido:

Calcular HHLLcon Ec. 2-37.

Calcular rea para nivel normal de lquido ANLL:

ANLL= (AHL+ ALL) + Vh/ L Ec. 2-59

Calcular ANLL/ Aty obtener HNLL/ Dvusando Tabla 2-4.

Calcular HNLL.


72/112

72

SEPARADOR HORIZONTAL TRIFSICO CON BOTA PARA LQUIDO

PESADO

Para dimensiones referirse a la Figura 2-15, N 2.


2. Calcular los flujos volumtricos de lquido liviano QLLcon Ec. 2-42 y pesado

QHLcon Ec. 2-43.

3.

Calcular la velocidad vertical terminal del vapor Vtcon la Ec. 2-11.


extractor de neblina. Por lo anterior, para el clculo de Vtse usa el valor de K

de la Tabla 2-1 dividido por 2 si tiene extractor de neblina, o se calcula el K

terico para separador sin extractor de neblina con la Ec. 2-2. Hacer Vv= 0.75 *

Vtpara un diseo conservativo.

4. De la Tabla 2-2 seleccionar el tiempo de retencin Thy el tiempo para manejo

de perturbaciones Ts(a menos que el volumen de perturbacin sea especificado,

tal como volumen de bache), y calcular el volumen de retencin Vhusando la

Ec. 2-21 y el volumen para manejo de perturbaciones Vs usando la Ec. 2-22

(Usar QLLen lugar de QL).

5.

Estimar L/DVsegn criterios de presin del Paso 6 pgina 2-29 y calcular un

dimetro interno inicial de vasija Dv, redondeando a los siguientes 0.5 ft usando

la Ec. 2-29.

Calcular el rea total transversal Atusando la Ec. 2-30.


73/112

73



0.2 *DVo 1.0 ft



0.2 * Dvo 2.0 ft



7. Fijar las alturas de lquido liviano en la vasija y la bota, HLLV(Mnimo 1.0 ft) y

HLLB(Mnimo 6 in.).

8. Calcular la relacin HLLV/ Dvy obtener ALLV/ Atusando la Tabla 2-4. Calcular

ALLV.

9. Calcular la longitud mnima para acomodar el lquido por retencin

perturbaciones:

Ec. 2-60

10. Calcular el tiempo de cada t de la gota de lquido con Ec. 2-33.

11. Calcular la velocidad real del vapor Vvacon Ec. 2-34.

12. Calcular la longitud mnima requerida para retiro de lquido al vapor Lmincon

Ec. 2-35.


74/112

74

13. Si L < Lmin, hacer L = Lmin. La longitud de la vasija est controlada por la


retencin de lquido.

Si L Lmin, la longitud de la vasija L es aceptable para separacin vapor /

lquido.

Si L >> Lmin, est controlando la altura para retencin de lquido y solamente

L puede ser disminuido y Lmin aumentado si Hvd es disminuido. Hvd puede

solamente ser disminuido si es mayor que el valor mnimo especificado en elpaso 6. Si Hvdse reduce, recalcular Avdy repetir los clculos desde el paso 9.



fase lquida liviana VHLusando la Ec. 2-40 (ksse calcula de la Ec. 2-39 o se

obtiene de la Tabla 2-6).

15. Calcular el tiempo de asentamiento para las gotas de lquido pesado a travs

de la fase liviana tHL:

tHL= 12(HLLB+ Dv- Hvd) / VHL, min Ec. 2-61

16.

Calcular el tiempo de residencia del lquido liviano ignorando el volumen de

lquido liviano en la bota:

LL= (At- Avd)L / QLL, min Ec. 2-62


75/112

75

17. Si LL< tHL, la separacin de lquido est controlando, entonces incrementar la

longitud de la vasija L:

Ec. 2-63


Si L / Dv significan diferencias superiores al 20 %).


20. Calcular el rea superficial del casco As y las cabezas Ahde acuerdo con la

Tabla 2-5.




6.0.


76/112

76

23. Usando el tamao ptimo de vasija (mnimo peso) calcular los niveles alto y

normal de lquido:

Calcular HHLLcon Ec. 2-37.


ANLL= ALLV+ Vh/ L , ft2 Ec. 2-64


Calcular HNLL.

24. Disear la bota para lquido pesado:

Fijar altura del lquido pesado HLLen un valor que guarde relacin con las

dimensiones de la vasija.

Calcular la velocidad de ascenso del lquido liviano sobre la fase lquida

pesada, VLHusando la Ec. 2-41 (ks se calcula de la Ec. 2-39 o se obtiene

de la Tabla 2-6).

Fijar la velocidad en la bota, Vp= 0.75VLHin/min.

Calcular el dimetro de la bota para lquido pesado DB:

Ec. 2-65

Calcular el tiempo de ascenso de las gotas de lquido liviano a travs de la

fase pesada tLH:

tLH= 12HHL/VLH, min Ec. 2-66


77/112

77

Calcular el tiempo de residencia del lquido pesado:

Ec. 2-67

Si HL< tHL,incrementar el dimetro de la bota.

SEPARADOR HORIZONTAL TRIFSICO CON VERTEDERO




QHLcon Ec. 2-43.

3.

Calcular la velocidad vertical terminal del vapor Vtcon la Ec. 2-11.


extractor de neblina. Por lo anterior, para el clculo de Vtse usa el valor de K


terico para separador sin extractor de neblina con la Ec. 2-2. Hacer Vv =

0.75Vtpara un diseo conservativo.

4. De la Tabla 2-2 seleccionar el tiempo de retencin THy el tiempo para manejo

de perturbaciones Ts(a menos que el volumen de perturbacin sea especificado,

tal como volumen de bache), y calcular el volumen de retencin Vhusando la


78/112

78

Ec. 2-21 y el volumen para manejo de perturbaciones Vs usando la Ec. 2-22

(Usar QLLen lugar de QL).

5.

Estimar L/DVsegn criterios de presin del Paso 6 pgina 2-29 y calcular undimetro interno inicial de vasija Dv, redondeando a los siguientes 0.5 ft usando

la siguiente ecuacin:

Ec. 2-68




0.2 *DVo 1.0 ft



0.2 * Dvo 2.0 ft



7.

Calcular la altura de bajo nivel de lquido HLLLde la Tabla 2-3 o de la Ec. 2-31,

donde Dven ft y se redondea a las siguientes 0.5 pulgadas (in.). Si D v< 4'0",

HLLL= 9 in.


79/112

79

Calcular la relacin HLLL / Dvcon HLLLen pies y obtener ALLL / Atusando la

Tabla 2-4. Calcular al rea transversal para bajo nivel de lquido ALLL.

8. Calcular la altura del vertedero Hw:

Hw= Dv- Hvd, ft Ec. 2-69

Si Hw< 2 ft, incrementar Dvy repetir los clculos desde el Paso 6.

9.

Calcular la longitud mnima L2 del compartimiento para lquido liviano (verFig. 2-15, N 3) para acomodar el lquido por retencin y perturbaciones:

Ec. 2-70

Redondear a los siguientes 0.5 ft. El mnimo valor de L2= dn + 12 in., con dN

en pulgadas.

10. Fijar la altura de la interface en Hw/2, Con lo cual se obtienen las alturas de

lquido liviano y pesado HHLY HLL.

11. Para el compartimiento de asentamiento de lquido, calcular la relacin HHL/

Dv y obtener AHL/ Atusando la Tabla 2-4. Calcular el rea transversal para el

lquido pesado, AHL.

Calcular el rea transversal para lquido liviano, ALL:

ALL= At- Avd- AHL, ft2 Ec. 2-71


80/112

80


fase lquida liviana VHL y la velocidad de ascenso de las gotas de lquido

liviano sobre la fase lquida pesada VLH, usando las Ecs. 2-40 y 2-41. (ks se

calcula de la Ec. 2-39 o se obtiene de la Tabla 2-6).

13. Calcular el tiempo de asentamiento para las gotas de lquido pesado a travs de

la fase liviana tHL y el tiempo de ascenso de las gotas de lquido liviano a

travs de la fase pesada tLH:

tHL= 12HLL/VHL, min Ec. 2-72

tLH = 12HHL/VLH, min Ec. 2-73

14. Calcular el mnimo valor de L1para facilitar la separacin lquido - lquido

como el mayor valor entre:

Ec. 2-74

Redondear a los siguientes 0.5 ft.

15. Calcular la longitud total, L:

L = L1+ L2 , ft Ec. 2-75




81/112

81


Ec. 2-35.

19.

Si L < Lmin, hacer L = Lmin. La longitud de la vasija est controlada por la


retencin de lquido.

Si L Lmin, la longitud de la vasija L es aceptable para separacin vapor /

lquido.

Si L >> Lmin, est controlando la altura para retencin de lquido y solamente L

puede ser disminuido y Lmin aumentado si Hvd es disminuido. Hvd puede


paso 6. Si Hvdse reduce, recalcular Avdy repetir los clculos desde el paso 9.



Si L / Dv> 6.0, incrementar Dv.

Repetir desde el Paso 5. (> significan diferencias superiores al 20 %).



82/112

82

22. Calcular el rea superficial del casco Asy las cabezas Ahde acuerdo con la

Tabla 2-5.

23.

Calcular el peso aproximado de la vasija de acuerdo con la Tabla 2-5.



6.0.

25. Usando el tamao ptimo de vasija (mnimo peso) calcular los niveles alto y

normal de lquido para el compartimiento de lquido liviano:

Calcular HHLLcon Ec. 2-37 (Ec. 2-69).


ANLL= ALLL+ Vh/ L2 , ft2 Ec. 2-76


Calcular HNLL.


83/112

83

SEPARADOR HORIZONTAL TRIFSICO CON BALDE Y VERTEDERO




QHLcon Ec. 2-43

3. Calcular la velocidad vertical terminal del vapor Vtcon la Ec. 2-11.

Como el separador es horizontal debe usarse el valor de K cuando no hayextractor de neblina. Por lo anterior, para el clculo de Vtse usa el valor de K


terico para separador sin extractor de neblina con la Ec. 2-2.

Hacer Vv= 0.75Vtpara un diseo conservativo.

4.

Seleccionar tiempos de residencia para los lquidos liviano y pesado LLy HL.

(Como gua, para tambores de carga a una despojadora de aguas agrias HL= 60

min para servicio en refinera, o 10 - 15 min para servicio en planta qumica.

Para tambores de carga a una regeneradora de amina HL=10-15 min).

5. Estimar L/DV segn criterios de presin del Paso 6 y calcular un dimetro

interno inicial de vasija Dv, redondeando a los siguientes 0.5 ft usando la

siguiente ecuacin:

Ec. 2-77



84/112

84



0.2 *DVo 1.0 ftSi hay extractor de neblina, la altura mnima Hvddel rea para retiro de lquido


0.2 * Dvo 2.0 ft



7. Calcular Lt:

Ec. 2-78




Ec. 2-35.

11. Si L1< Lmin, hacer L1= Lmin. La longitud de la vasija est controlada por la


retencin de lquido.

Si L1 Lmim la longitud de la vasija L es aceptable para separacin vapor /

lquido.


85/112

85

12. Calcular el espesor de la capa de lquido liviano HLLT con base en el

asentamiento del lquido pesado a travs de dicha capa:

Ec. 2-79

donde Dp es el tamao de las gotas de lquido liviano en mieras, y SG la

diferencia entre las gravedades especficas del lquido pesado y liviano.

13. Calcular la diferencia en altura entre los vertederos de lquido liviano y pesado

H:

Ec. 2-80

14. Disear el balde para lquido liviano:

Fijar la altura de la cima del vertedero de lquido liviano como Dv- Hvc].

Fijar la altura del fondo del vertedero de lquido liviano como 0.125Dv.

Escoger un tiempo para retencin/perturbacin entre 5 - 15 min.

Asumir que el nivel de lquido alto HLL est 6 in. por debajo de la cima del

vertedero.

Asumir que el nivel de lquido bajo LLL est 6 in. por encima del fondo del

balde.

Calcular HHLL= Dv- Hvd - 0. 5, ft. y HLLL= 0.125*Dv + 0.5 , ft

Calcular las relaciones HHLL / Dvy HLLL/ Dv y obtener AHLL/ Aty ALLL/ At

de la Tabla 2-4.

Calcular AHLLY ALLL.

Calcular L2:

Ec. 2-81


86/112

86

15. Seleccionar L3como el mayor valor entre Dv/ 12 (Dven pulgadas) y 12 in.

16. Disear el compartimiento para lquido pesado:

Fijar la altura de la cima del vertedero de lquido pesado = Dv- Hvd- AH.

Escoger un tiempo para retencin/perturbacin entre 5-15 min.

Asumir que el nivel de lquido alto HLL est 6 in. por debajo de la altura del

vertedero.

Asumir que el nivel de lquido bajo LLL est 6 in. por encima del fondo de la

vasija, luego HLLL= 0.5ft.

Calcular HHLL= Dv- Hvd- H - 0.5 , ft.

Calcular las relaciones HHLL / Dvy HLLL / Dvy obtener AHLL / Aty ALLL/

At de la Tabla 2-4.

Calcular AHLLY ALLL.

Calcular L4:

Ec.2-82

17. Calcular L = L1 + L2+ L3+ L4.


Si L / Dv> 6.0, incrementar Dv.

Repetir desde el Paso 5. (> significan diferencias superiores al 20 %).


87/112

87


20. Calcular el rea superficial del casco As y las cabezas Ahde acuerdo con la

Tabla 2-5.




6.0.

EJEMPLO 2-4

Disear un separador horizontal trifsico con vertedero y extractor de neblina,

para separar 235,000 Ib/h de hidrocarburo gaseoso con densidad 0.190 lb/ft3, 45,000

Ib/h de hidrocarburo lquido con densidad 40.5 lb/ft3y viscosidad 0.24 cP y 7,500 Ib/h

de agua con densidad 62.0 lb/ft3y viscosidad 0.682 cP.

La presin y temperatura de operacin son 25 psig y 100 F respectivamente, y

se requiere un tiempo para retencin y perturbacin de 15 min. El material para la

construccin del separador es acero al carbn A - 516 grado 70.

1. Calcular Qa(Ec. 2-17),


88/112

88

2. Calcular QLLy QHL(Ecs. 2-42/43)

3. Calcular Vt(Ec. 2-11),

De la Tabla 2-1, GPSA - K = 0.350 (@ 25 psig)

Usar K/2 en separador horizontal

Vv= 0.75Vt = 1.91 ft/s

4. Calcular Vhy Vs(Ecs. 2-21/22) Asumir Th= 10 min y Ts= 5 min

Vh= (10 min)( 18.52 ft3/min) = 185.2 ft3

Vs = ( 5min)(18.52 ft3/min) = 92.6 ft3

5. Calcular Dv(Ec. 2-68), Asumir L / Dv= 1.7 (Paso 6 pg. 2-29)

Usar Dv = 11.0 ft

Calcular At(Ec. 2-30), At= /4(11.0)2= 95.03 ft2


89/112

89

6. Calcular Hvdy Avd,

Hvddebe ser mucho mayor que el mnimo (0.2DV), dado que el flujo msico de

gas es el 82 % del total; luego asumirHvd= 0.7DV= 0.7(11.0) = 7.70 ft.

Hvd/Dv= 7.70/11.0 = 0.70 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y, Y = 0.748 = Avd/ At

Avd= 0.748(95.03) = 71.08 ft2

7. Calcular HLLL(Ec. 2-31), HLLL= 0.5(11.0) + 7 = 12.5 in usar 13 in

HLLL/ Dv= (13.0/12) / 11.0 = 0.098 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y, Y = 0.0504 = ALLL / At

ALLL= 0.0504(95.03) = 4.8 ft2

8. Calcular Hw(Ec. 2-69), Hw= 11.0 - 7.7 = 3.3 ft

9. Calcular L2(Ec. 2-70),

10. Fijar HHLy HLH, HHL= HLH= Hw/2 = 3.3/2 = 1.65 ft


90/112

90

11. Calcular AHLY ALL, HHL/Dv= 1.65/11.0 = 0.15 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y, Y = 0.094 = AHL/ At

Calcular ALL(Ec. 2-71), AHL= 0.094(95.03) = 8.93 ft2

ALL= 95.03 - 71.08 - 8.93 = 15.02 ft2

12.Calcular VHL(Ec. 2-40), ks = 0.333 de la Tabla 2-6

Usar 10 in/min que es el mximo recomendado.

Usar 10 in/min que es el mximo recomendado.

13.Calcular tHL(Ec. 2-72), tHL= 12(1.65)/10= 1.98min usar 2.0min

tLH= tHL= 2.0 min.

14.Calcular L, (Ec. 2-74),


91/112

91

15.Calcular L (Ec. 2-75), L = 3.0 + 15.0 = 18.0 ft

16.Calcular t (Ec. 2-33), t = 7.70 / 1.91 = 4.03 s

17.Calcular Vva(Ec. 2-34), Vva= 343.57 / 71.08 = 4.83 ft/s

18.Calcular Lmin(Ec. 2-35), Lmin= 4.83 *4.03= 19.5 ft

19.Como L < Lmin, entonces L = 19.5 ft,(se ajusta L2= 16.0 ft y L) = 3.5 ft)

20.

Calcular L / Dv, L / Dv = 19.5/11.0 = 1.77

21.Calcular tsy thde acuerdo con la Tabla 2-5,

P = 25 + 30 = 55 psig

S = 17,500 psi del Anexo 2-1, Table A-1, p. 115

E = 0.85

tc = l/16"

Usar cabeza torisfrica (D < 15 ft y P < 100 psig)

Espesor del casco,

ts= 0.307" usar 3/8"

Espesor de la cabeza,

t = 1/2" (0.50 in.)


92/112

92

22.Calcular Asy Ah(Tabla 2-5), As= (11.0)(19.5) = 673.87 ft2

Ah= 0.842(11.0)2 = 101.88 ft2

23. Calcular W (Tabla 2-5),

W= 17,918 Ib

24.Pueden repetirse los clculos desde el Paso 5 con Dv = 10.5 ft y 11.5 ft paraencontrar el tamao ptimo de vasija.

25. Asumiendo que con Dv= 11.0 ft se tiene el tamao ptimo de vasija, calcular

los niveles alto y normal de lquido para el compartimiento de lquido liviano:

Calcular HHLL(Ec. 2-37), HHLL= Hw= 3.3 ft, usar 3 ft 4 in.

Calcular ANLL(Ec. 2-76) ANLL= 4.8 +185.2/16= 16.4 ft2

ANLL/ A, = 16.4 / 95.03 = 0.173 = X

De la Tabla 2-4 calcular Y, Y = 0.229 = HNLL/ Dv

HNLL= 0.229(11.0) = 2.52 ft,

usar 2 ft 6 in.

NOTA: Por la pequea cantidad de lquido pesado y gran cantidad de vapor

(alrededor del 82 % en peso del total), un mejor diseo sera usando "Bota".

Tambin debera compararse un separador vertical.


93/112

93

SEPARADORES EN LA INDUSTRIA


94/112

94


95/112

95


96/112

96


97/112

97


98/112

98


99/112

99


100/112

100


101/112

101


102/112

102


103/112

103


104/112

104


105/112

105


106/112

106


107/112

107


108/112

108

ANEXO 2 1

CDIGO

ASME B 31.1 1995 Edition, Appendix A, Table A-1

NOMENCLATURA

A = rea transversal para vasija vertical, ft

Ad = rea transversal del bajante, ft2

AH = rea transversal para el lquido pesado en vasija vertical para separador

trifsico - (AH= A), ft2

Ah = seccin transversal para retencin de lquido en vasija horizontal, ft2

rea superficial de la cabeza en Tabla 2-5, ft2

AHL = rea transversal para lquido pesado en separador trifsico, ft2

AHLL= rea transversal para alto nivel de lquido en vasija horizontal, ft2

AL = rea del plato del bafle para retencin de lquido liviano, ft2

ALL = rea transversal para lquido liviano en separador trifsico, ft

ALLL= rea transversal para bajo nivel de lquido en vasija horizontal, ft2

ALLV = rea transversal para lquido liviano por encima del fondo de la vasija en

separador trifsico con bota, ft2

ANLL = rea transversal para nivel normal de lquido en vasija horizontal, ft2 Ap =

rea transversal de la partcula o gota, ft2

As = secc. transversal para manejo de perturbaciones en vasija horizontal, ft2

rea superficial del casco en Tabla 2-5, ft2

At = rea transversal total para vasija horizontal, ft2

Avd= rea para retiro de lquido al vapor en vasija horizontal, ft2

C = constante emprica para dimensionamiento de separadores, ft/h

C' = coeficiente de arrastre de la partcula, adimensional

D , Dv = dimetro interno de la vasija, ft; in.


109/112

109

DB = dimetro de la bota para lquido pesado, ft

Do = dimetro externo de la vasija, ft

dN = dimetro de la boquilla (entrada / salida vapor o lquido, segn se

especifique), ft ; in.Dp = dimetro de la gota, ft; mieras en Ec. 2-39

Dvd = dimetro para retiro de lquido al vapor, ft

E = eficiencia de junta, fraccin

G = flujo de lquido descendente permisible por el bajante del bafle para

retencin de lquido liviano - Figura 2-14, gph/ft2

g = aceleracin de la gravedad, 32.2 ft/s2

Gm= mxima velocidad msica permisible para que las gotas de dimetro Dpcaigan, lb/(h-ft2)

HA = nivel de lq. por encima del bafle de retencin de lquido liviano, in; ft

HBN= altura entre nivel de lquido por encima del bafle de retencin de lquido

liviano y la lnea de centro de la boquilla de carga, ft

Hd = altura para retiro de lquido al vapor, ft

Hh = altura para retencin de lquido, ft

HH = altura para lquido pesado en separador trifsico vertical, ft

HHL = altura para lquido pesado en separador trifsico horizontal, ft

HHLL = altura de alto nivel de lquido, ft

HL = altura entre la interfase de lquido pesado y la lnea de centro de la

boquilla de salida de lquido liviano en separador trifsico vertical, ft

HLL = altura para lquido liviano en separador trifsico horizontal, ft

HLIN = altura entre alto nivel de lquido HLL y la lnea de centro de la

boquilla de entrada, ft

HLL = nivel de lquido alto

HLLB = altura de lquido liviano en la bota para separador trifsico, ft

HLLL = altura de bajo nivel de lquido, in. ; ft

HLLT = espesor de la capa liviana, in.


110/112

110

HLLV = altura de lquido liviano en la vasija para separador trifsico con bota,

ft.

Hme = altura del extractor de neblina y de este a la lnea tangente de cima de

la vasija, ftHNLL = altura de normal nivel de lquido, ft

HR = altura entre la lnea de centro de la boquilla de salida de lquido liviano

y el bafle de retencin de lquido liviano, ft

Hs = altura para manejo de perturbaciones, ft

HT = altura total de la vasija, ft

Hvd = altura para retiro de lquido al vapor, ft

Hw = altura vertedero, ftH = diferencia en altura entre los vertederos de lquido liviano y pesado, in

K = constante emprica para dimensionamiento de separadores, ft/s

Kcr = constante de proporcionalidad para ser usada en Ec. 2-9

ks = constante de velocidad terminal de la ley de Stokes, (in/min)(cP)/(lb/ft3)

L = longitud de la vasija costura - costura, ft

LLL = nivel de lquido bajo

Lmin = longitud mnima requerida para retiro de lquido al vapor, ft

L1-4 = longitudes como se definen en Fig. 2-15, ft

MHL = flujo msico de lquido pesado, Ib/min ; lb/h

ML = flujo msico de lquido, lb/min ; lb/h

MLL = flujo msico de lquido liviano, lb/min ; lb/h

Mp = masa de la partcula o gota, lb

Mv = flujo msico de gas, lb/s

N = parmetro para separadores trifsicos horizontales definido en Figura

2-15, m.

NLL = nivel de lquido normal

P = presin del sistema, psia ; presin de diseo, psig

PM = peso molecular, lb/lbmol


111/112

111

Qa = flujo de gas a condiciones reales, ft3/s

QHL = flujo volumtrico de lquido pesado, ft3/min

QL = flujo volumtrico de lquido, ft3/s ; ft3/min

QLL = flujo volumtrico de lquido liviano, ft

3

/minQm = flujo volumtrico de mezcla, ft3/s ; ft3/min

R = constante universal de los gases, 10.73 psia ft3/R lbmol

r = radio de rtula en cabeza torisfrica, in.

Re = nmero de Reynolds, adimensional

S = tensin permisible, psi(5)

SG = gravedad especfica, adimensional

SG = diferencia de gravedad especfica entre los lquidos pesado y liviano,adimensional

T = temperatura del sistema, R ; temperatura de diseo, F

t = tiempo de cada de la gota de dimetro Dp, s ; espesor de pared, in.

tc = corrosin permisible, in.

Th = tiempo de retencin de lquido, min

th = espesor de pared de cabezas, in.

tHL = tiempo de asentamiento para las gotas de lquido pesado a travs de

HL, min

tLH = tiempo de ascenso de las gotas de lquido liviano a travs de HHmin

Ts = tiempo para manejo de perturbaciones, min

ts = espesor de pared de casco, in.

Vh = volumen de retencin de lquido, ft3

VHL = velocidad de asentamiento de las gotas de lquido pesado sobre la fase

lquida liviana, in./min

VLH = velocidad de ascenso de las gotas de lquido liviano sobre la fase

lquida pesada, in./min

Vp = velocidad del lquido pesado en la bota, in./min

Vs = volumen para manejo de perturbaciones, ft3


112/112

Vt = velocidad terminal, ft/s ; in. / min en Ec. 2-38

Vv = velocidad de vapor, ft/s

Vva = velocidad real de vapor, ft/s

W = peso de la vasija, IbWd = ancho de la cuerda del bajante, in.

Z = factor de compresibilidad, adimensional

HL = tiempo de residencia del lquido pesado, min

LL = tiempo de residencia del lquido liviano, min

= fraccin lquida de mezcla, adimensional

= viscosidad de la fase continua, cP

g = viscosidad de la fase gaseosa, cPH = viscosidad de la fase lquida pesada, cP

L = viscosidad de la fase lquida liviana, cP

g = densidad de la fase gaseosa, Ib/ft3

H = densidad de la fase lquida pesada, Ib/ft3

L = densidad de la fase lquida o gota ; o de la fase lquida liviana, Ib/ft3

m = densidad de mezcla, Ib/ft3

capitulo..separadores 1

Documents