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PROCESOS DE SEPARACIÓN LÍQUIDO - GAS

1.1 Introducción

Los equipos de separación, como su nombre lo indica, se utilizan en la industria petrolera para separar mezclas de líquido y gas. Las mezclas de líquido y gas, se presentan en los campos petroleros principalmente por las siguientes causas:

a) Por lo general los pozos producen líquidos y gas mezclados en un solo flujo.

b) Hay tuberías en las que aparentemente se maneja sólo líquido o gas; pero debido a los cambios de presión y temperatura que se producen a través de la tubería, hay vaporización de líquido o condensación de gas, dando lugar al flujo de dos fases.

c) En ocasiones el flujo de gas arrastra líquidos de las compresoras y equipos de procesamiento, en cantidades apreciables.

Las razones principales por las que es importante efectuar una separación adecuada de líquido y gas, son:

a) En campos de gas y aceite, donde no se cuenta con el equipo de separación adecuado y además el gas se quema, una cantidad considerable de aceite ligero que es arrastrado por el flujo del gas también es quemado, ocasionando grandes pérdidas si se considera que el aceite ligero es el de más alto valor comercial.

b) Aunque el gas se transporte a una cierta distancia para tratarlo, es conveniente eliminarle la mayor cantidad de líquido, ya que este ocasiona problemas, tales como: corrosión y abrasión del equipo de transporte, aumento en las caídas de presión y reducción en la capacidad de transporte de las líneas.

c) Como se menciona, el flujo de gas frecuentemente arrastra líquidos de proceso, como el glicol, los cuales se deben recuperar ya que tienen un valor considerable.

1.2 Repaso a la termodinámica de los gases

Si definimos el calor específico molar (consideraremos siempre un mol de gas) como:

C = dQ/dT (15)

Observamos en principio que el mismo varía de acuerdo a si el proceso de transferencia de calor se produce a volumen constante o a presión constante. Veamos:

La primera Ley nos dice que:

dU + dL = dQ

Diferenciando dU e incorporando la definición de trabajo:

(dU/dT)V * dT + ((dU/dT)p + p) * dV = dQ

A volumen constante, el segundoi término de la izquierda se anula y

CV = dQ/dT = (dU/dT)V (16)

Haciendo el mismo razonamiento y desarrollando el dU tomando como variables independientes T y P

CP = (dU/dT)P + p * (dU/dT)P (17)

Experimentalmente es posible demostrar que la energía interna de un gas ideal depende de sólo de la temperatura. De manera que U = U(T).

Si además tomamos los calores específicos como constantes para gases ideales

CV = dU/dT, e integrando

U = CVT + K

Esta constante aditiva no se considera siempre que hablemos de incrementos o diferencias de temperatura.De manera que, para un gas ideal, la 1ª Ley toma la forma

CV * dT + p * dV = dQ

A su vez, por la ecuación de los gases ideales, para un mol

p * dV + V * dP = R * dT

Entonces, reemplazando

(CV + R) * dT - V * dp = dQ

Podemos, para un gas ideal, llegar a una expresión para CP.A presión constante, dp = 0

CP = (dQ/dT)P = CV + R (18)

Puede demostrarse (no lo haremos aquí) que para gases ideales:

CV = 3/2R y CP = 5/2R para un gas monoatómicoCV = 5/2R y CP = 7/2R para un gas diatómico

Transformaciones isotérmicas de un gas ideal

Recordamos que para un mol de gas ideal

pV = RT

Como T es constante (transformación isotérmica), entonces:

pV = constante (19)

es decir que la presión y el volumen son inversamente proporcionales. En un gráfico p vs V la gráfica sería una hipérbola equilátera

Transformaciones adiabáticas de un gas ideal

Una transformación adiabática es aquélla en que se vuelve despreciable el intercambio de calor entre el sistema en estudio y el exterior, por lo tanto, tomando dQ = 0

CVdT + pdV = 0

Utilizando la ecuación (8) para un mol

CV * dT + (RT/V) * dV = 0

Dividiendo por T e integrando

LogT + (R/CV) * logV = constante

Aplicando propiedades de los logaritmos obtenemos:

TV(R/Cv) = constante

Volviendo a aplicar la ecuación (8)

T/(p(Cp-Cv)/Cp) = constante (20)

PV(Cp/Cv) = constante (21)

Como aplicación calcularemos la tasa de cambio aproximada de temperatura atmosférica con la altura. Consideremos un pequeño cilindro de aire que asciende rápidamente en la atmósfera. La transformación es adiabática pues el aire no es un buen conductor y la transformación se realiza con rapidez, por lo que aplicando logaritmos a (20) y diferenciando:

dT/T = (CP - CV)/Cp * dp/p (22)

La diferencia de presión entre las tapas del cilindro es:

dp = - r * g * dh donde r es la densidad y g es la aceleración de la gravedad O, aplicando (8) considerando que r = m/V:

dp = - (g * M * p) /(R * T) dh

Reemplazando en (22), tenemos que:

2 dT/dh = - (g * M/R) * (CP - CV)/CP

Los valores para el aire son:

CP = 7/2 CV = 5/2 M = 28,88 g = 980,665cm/seg2 R = 8,214 x 107 erg/K

Con lo que

3 dT/dh = -9,8 x 10-5 ºK/cm

Con lo que concluimos que, aproximadamente cada 100m la temperatura desciende 1 grado, teniendo en cuenta todas las suposiciones anteriores.

4.1 TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA

Una transformación adiabática es una transformación durante la cual el sistema no intercambia calor con el medio en ningún momento de la misma. En consecuencia, para que una transformación sea adiabática, deberá cumplirse que Q = 0. Determinaremos como deben ser las relaciones de los parámetros P, V y T del sistema durante la transformación.Definimos como Coeficiente Adiabático k de un gas ideal al siguiente cociente:

(4.1)

Para determinar las ecuaciones adiabáticas en función de P, V y T, debemos partir de la ecuación diferencial de una adiabática:

(4.2)

La que luego de resolverla obtenemos:

(4.3)

aplicando la propiedad de los logaritmos en función de la potencia, tenemos

(4.4)

y finalmente aplicando la propiedad de los logaritmos en función del productos

que puede escribirse:

(4.5)

La ecuación (4.5) expresa la relación entre temperatura y volumen a lo largo de una adiabática. Para obtener la relación entre presión y volumen, despejamos T de la ecuación de estado (1.17):

(4.6)

reemplazándola en la (4.5) nos da:

(4.7)

La constante RP y la masa m, la englobamos en la constante del segundo miembro y agrupando nos queda:

(4.8)

La ecuación (4.8) es la llamada Ecuación de POISSON y expresa la relación entre presión y volumen a lo largo de una adiabática.

Si en la (4.5) reemplazamos el volumen, en función de la ecuación de estado, se transforma en

(4.9)

que puede escribirse:

(4.10)

La ecuación (4.10) expresa la relación entre temperatura y presión a lo largo de una adiabática

La Ecuación de Poisson (4.8) nos indica que la representación gráfica de la adiabática en el diagrama P - V nos dará una curva de forma parecida a la isotérmica.

En este caso, el volumen esta elevado a un exponente k que será mayor que la unidad, por lo que al aumentar el volumen en una adiabática disminuirá más rápido la presión que en el caso de una transformación isotérmica. El trabajo intercambiado en la adiabática lo calcularemos mediante una propiedad de la energía interna vista en (2.14):

(4.11)

Por tratarse de un sistema integrado por una masa de un gas ideal:

(4.12)

con lo que el trabajo estará dado por:

(4.13)

Podemos obtener otras expresiones del trabajo para transformaciones adiabáticas. Si multiplicamos y dividimos por RP la ecuación (4.13)

(4.14)

y sacamos fuera del paréntesis T1 , tenemos:

(4.15)

recordando la relación de Mayer vista en (2.25) y dividiendo ambos miembros por la constante CV, tenemos:

(4.16)

la relación inversa será:

(4.17)

reemplazando la (4.17) en la expresión (4.15), nos permite escribir:

(4.18)

Si queremos que en la expresión del trabajo aparezcan los volúmenes de los estados extremos de la transformación, aplicamos la expresión (4.5):

(4.19)

agrupando las temperaturas y los volúmenes:

(4.20)

reemplazando en la (4.18) nos da:

(4.21)

Para obtener una expresión del trabajo en función de las presiones extremas de la transformación recurrimos a la expresión (4.8)

(4.22)

Si agrupamos los volúmenes y las presiones, tenemos:

(4.23)

que reemplazada en la (4.21) la transforma en:

(4.23)

1.3 Equipos de separación

En la industria petrolera, entre los equipos de separación aplicados con mayor frecuencia, están los siguientes:

Separadores.- Son equipos utilizados para separar corrientes de aceite y gas que provienen directamente de los pozos. Las relaciones gas-aceite de estas corrientes disminuyen en ocasiones, debido a las cabezadas de líquido que

repentinamente se presentan, siendo estas más frecuentes cuando los pozos producen artificialmente.

Separadores a baja temperatura.- Estos dispositivos se utilizan para la separación de gas y condensados, a baja temperatura, mediante una expansión. Están diseñados para manejar y fundir los hidratos que se pueden formar al disminuir la temperatura del flujo.

Eliminadores.- Estos dispositivos se utilizan para eliminar los líquidos (hidrocarburos y agua) de una corriente de gas a alta presión. Se utilizan generalmente en los sistemas de separación a baja temperatura. Algunos eliminadores sólo separan el agua de la corriente de gas

Depuradores.- Son dispositivos que se utilizan para manejar corrientes con muy altas relaciones gas-líquido. Se aplican también para separar gotas muy pequeñas de líquido suspendidas en corrientes de gas, ya que éstas no son

eliminadas generalmente por un separador ordinario. Dentro de este tipo específico de separadores están los depuradores de polvo y los filtros, que eliminan además de las gotas pequeñas de líquido, el polvo arrastrado en la corriente de gas. Es muy recomendable instalar depuradores antes de las compresoras, con el fin de protegerlas de los daños que pueden causar las impurezas arrastradas por el gas.

Sección de extracción de niebla.- En esta sección se separan del flujo de gas, las gotas pequeñas de liquido que no se lograron eliminar en las secciones primaria y secundaria del se parador. En esta parte del separador se utilizan el efecto de choque y/o la fuerza centrífuga como mecanismos de separación. Mediante estos mecanismos se logra que las pequeñas gotas de líquido, se colecten sobre una superficie en donde se acumulan y forman gotas más grandes, que se drenan a través de un conducto a la sección de acumulación de líquidos o bien caen contra la corriente de gas a la sección de separación primaria. El dispositivo utilizado en esta sección, conocido como extractor de niebla, esta constituido generalmente por un conjunto de veletas o aspas; por alambre entretejido, o por tubos ciclónicos.

Sección de almacenamiento de líquidos.- En esta sección se almacena y descarga el liquido separado de la corriente de gas. Esta parte del separador debe tener la capacidad suficiente para manejar los posibles baches de líquido que se pueden presentar en una operación normal. Además debe tener la instrumentación adecuada para controlar el nivel de liquido en el separador. Esta instrumentación está formada por un controlador y un indicador de nivel, un flotador y una válvula de descarga.

Tipos de extractores de niebla

Los principios mecánicos bajo los cuales operan los extractores de niebla son el asentamiento por gravedad, la fuerza centrífuga, el choque y la filtración Los extractores de niebla más empleados son los del tipo de impacto, que a su vez pueden ser de veletas o de alambre entretejido.

Extractores de niebla tipo veleta.- Consisten de placas metálicas paralelas formando un laberinto. Cada una de estas placas, cuenta con varias bolsas para retener el líquido. Cuando el gas pasa a través del extractor cambia de dirección varias veces y es centrifugado, provocando que las gotas de líquido se muevan hacia el exterior, donde son retenidas por las bolsas colectoras.

Aunque el diseño de estos extractores es empírico, los fabricantes generalmente garantizan que el líquido arrastrado en el flujo de gas no sobrepasa 0.1 gal/MM* pie3 de gas donde *MM Significa millones

La eficiencia de un extractor de niebla de este tipo, aumenta al colocar las placas de metal más juntas o al instalar más bolsas para retener el líquido; pero obviamente también se incrementa la caída de presión a través del extractor.

Entre los factores que afectan la eficiencia de estos extractores están el tamaño de las gotas, la densidad y la tensión superficial del líquido. Los extractores de este tipo son eficientes para separar partículas de líquido mayores de 10 micras.

En los separadores que manejan glicol ha sido necesario utilizar dos extractores en serie, ya que siendo el glicol un líquido alto tensor propicia la formación de películas en el primer extractor, las cuales son arrastradas por el flujo de gas hasta el segundo extractor, donde se retienen y separan. El glicol también tiene la tendencia a disminuir la densidad del aceite o condensados arrastrados en el flujo de gas. Este problema se ha reducido añadiendo un agente antiespumante de alta densidad al glicol.

Cuando el separador cuenta con un tubo de drene de líquido, que va desde el extractor a la sección de almacenamiento, se debe vigilar que la caída de presión a través del extractor no sea mayor que la correspondiente a la columna hidrostática que se forma en el tubo. Cuando esto sucede, el líquido es extraído por succión hacia la parte superior del separador; o bien, el tubo queda parcialmente tapado. Comúnmente la caída de presión a través de este tipo de extractores, varía de 1 a 10 pg. de agua

Extractores de niebla de malla de alambre entretejido.- Este tipo de extractores aunque se emplea poco, ha dado resultados favorables y es de bajo costo. Consisten básicamente de un cojinete de malla de alambre, que tiene aberturas asimétricas y desalineadas. El mecanismo de separación de líquido es el choque, aunque también hay acción centrífuga.

Las características de la malla de alambre usada en estos extractores, están dentro del siguiente rango:

Diámetro del alambre 0.003 a 0.011 pg.

Volumen de espacios libres 92 a 99.4 %

Densidad 3 a 33 lb/pie^3

Superficie específica 50 a 600 pie2 /pie^3

En la mayoría de los casos, el espesor del cojinete necesario para que el volumen de líquido arrastrado en el flujo de gas fuera del separador no exceda de 0.1 gal/MM pie^3 ,debe ser de 4 a 6 pg.

La eficiencia de estos extractores, depende de la velocidad del flujo de gas. Cuando la velocidad es baja, las gotas de líquido tienden a aglomerarse entre los alambres.

A velocidades altas el extractor tiende a inundarse, debido a que el líquido no puede fluir hacia abajo, contra el flujo del gas. En ambos casos los espacios libres del extractor se pueden llenar de líquido y una porción del líquido es arrastrada por la corriente de gas.

La velocidad con la que se obtiene la máxima eficiencia puede calcularse con la siguiente ecuación:

El valor aproximado de k, cuando se utiliza el extractor en separadores de gas y liquido, es 0.35. La ecuación anterior es similar a la que se emplea para determinar la velocidad permisible en los separadores; pero en este caso el valor de k varía entre 0.12 y 0.17.

En consecuencia el área de flujo del extractor debe de ser menor que la del separador; esto se logra cubriendo una parte de la rejilla que sostiene el cojinete de mala de alambre.

La caída de presión en estos extractores depende de la carga del líquido en el flujo de gas, el diseño del cojinete y de la velocidad del gas pero generalmente no es mayor de 1pg de agua.

Extractores de niebla tipo ciclónico. - Este tipo de extractores, consiste de un conjunto de pares de tubos concéntricos .El número de tubos concéntricos depende del gasto de gas que se va a manejar.

Los tubos concéntricos están provistos de entradas tangenciales para el gas. La parte inferior de estos tubos es cónica y tienen descargas para las partículas de líquido separadas.

El gas entra tangencialmente al espacio anular entre los dos tubos moviéndose en espiral hacia abajo. Las partículas de líquido en las partículas de gas son conducidas, por la fuerza centrífuga, hacia las paredes del tubo en donde se recolectan y arrastran hacia el fondo por el gas. Estas partículas se descargan a través de la salida localizada en el fondo de los tubos. El gas, libre de impurezas, sale a través del tubo interior.

La velocidad del flujo de gas en este tipo de extractores es crítica. Cuando la velocidad disminuye abajo de un cierto valor, la eficiencia se abate rápidamente, y si la velocidad aumenta, la caída de presión a través del extractor también se incrementa.

En algunos separadores se han empleado extractores de niebla tipo choque, como el de alambre entretejido, delante de un extractor tipo ciclónico, con resultados satisfactorios.

El extractor de alambre entretejido actúa como aglomerador de gotas pequeñas de líquido, las cuales son posteriormente eliminadas en el extractor tipo ciclónico.

Clasificación de los separadores.

Los separadores pueden clasificarse por su forma y geometría en horizontales, verticales y esféricos, y para separar dos fases (gas y líquido) o tres (gas, aceite y agua).

1.4 tipos de separadores

Separadores convencionales:

Se acostumbra designar separadores convencionales a los separadores de dos fases en cualquiera de sus 3 tipos: verticales, horizontales y esféricos. Los separadores horizontales pueden estar formados por un tanque horizontal, o bien por dos colocados uno encima del otro. A los primeros se les conoce como de simple barril, y a estos últimos como de doble barril.

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Separadores verticales

Ventajas:

1. Es fácil mantenerlos limpios, por lo que se recomiendan para manejar flujo de pozos con alto contenido de lodo, arena o cualquier material sólido.

2. El control de nivel de liquido n es crítico, puesto que se puede emplear un flotador vertical, logrando que el control de nivel sea más sensible a los cambios.

3. Debido a que el nivel de líquido se puede mover en forma moderada, son muy recomendables para flujo de pozos que producen por bombeo neumático, con el fin de manejar baches imprevistos de líquido que entren al separador.

4. Hay menor tendencia de revaporización de líquidos.

Desventajas:

1. Son más costosos que los horizontales.2. Son más difíciles de instalar que los horizontales.3. Se necesita de un diámetro mayor que los horizontales para manejar la

misma cantidad de gas.

Separadores Horizontales

Ventajas:

1.-Tienen mayor capacidad para manejar gas que los verticales.

2.-Son más económicos que los verticales.

3.-Son más fáciles de instalar que los verticales.

4.-Son muy adecuados para manejar aceite con alto contenido de espuma. Para esto, donde queda la interfase gas-líquido, se instalan placas rompedoras de espuma.

Desventajas:

1.- No son adecuados para manejar flujos de pozos que contienen materiales sólidos como arena o lodo, pues es difícil limpiar este tipo de separadores.

2.- El control de nivel de líquido es más crítico que en los se paradores verticales.

Separadores Esféricos.

Ventajas:

1.- Más baratos que los horizontales o verticales.

2.- Más compactos que los horizontales o los verticales, por lo que se usan en plataformas costa afuera.

3.- Son más fáciles de limpiar que los separadores verticales.

4.- Los diferentes tamaños disponibles los hacen el tipo más económico para instalaciones individuales de pozos de alta presión.

Desventajas:

1.- Tienen un espacio de separación muy limitado.

Separadores de tres fases.

Estos separadores, además de separar las fases líquida y gaseosa, separan el líquido en aceite y agua no emulsionada, tiene lugar por diferencia de

densidades. Para esto se proporciona al líquido suficiente tiempo de residencia y se deposita en un espacio donde no hay turbulencia.

Los separadores de tres fases pueden ser verticales, horizontales y esféricos.

Además de las secciones y dispositivos con que cuentan los separadores de líquido y gas, el separador de 3 fases tiene las siguientes características y accesorios especiales:

a) Una capacidad de líquidos suficiente para proporcionar el tiempo de retención necesario para que se separe el aceite y el agua.

b) Un sistema de control para la interfase agua-aceite.

c) Dispositivos de descarga independientes para el aceite y para el agua.

Fundamentos de la separación de mezclas gas-liquido

Mecanismos de separación

La separación de mezclas se logra mediante una combinación adecuada de los siguientes factores: gravedad, fuerza centrífuga y choque.

Separación por gravedad

Es el mecanismo de separación que más se utiliza, debido a que el equipo requerido es muy simple, cualquier sección ampliada en una línea de flujo, actúa como asentador, por gravedad, de las gotas de líquido suspendidas en una corriente de gas. El asentamiento se debe a la reducción de velocidad en el flujo.

En los separadores el asentamiento por gravedad tiene lugar principalmente en la sección secundaria, que se conoce también como sección de asentamiento por gravedad.

Si el flujo es vertical hacia arriba, como en los separadores verticales, las partículas de líquido que se van a separar caen a contra flujo del gas. Estas partículas de líquido que descienden por la acción de la gravedad se aceleran, hasta que la fuerza de arrastre se balancea con la fuerza gravitacional. Después de éste momento, las partículas continúan cayendo a una velocidad constante. conocida como velocidad de asentamiento o velocidad terminal.

La velocidad de asentamiento calculada para una gota de líquido de cierto diámetro, indica la velocidad máxima que debe tener el gas, para permitir que partículas de este diámetro o mayor se separen.

Para calcular la velocidad de asentamiento, se puede establecer el siguiente balance de fuerzas que actúan sobre una partícula de líquido en una corriente de gas.

1.5 Principios de operación

Este es uno de los tipos de dispositivos de transferencia de materia más utilizados en la industria, consistente en el acoplamiento de unidades o etapas sucesivas. Una unidad o etapa recibe dos corrientes, una fase V y una fase L, procedentes de dos etapas adyacentes, se ponen en contacto y se descargan las fases L y V, respectivamente, hacia las mismas unidades adyacentes. Para que exista transferencia de materia es preciso que las corrientes que entran en cada etapa no estén en equilibrio, ya que es la separación de las condiciones

de equilibrio lo que proporciona el gradiente para la transferencia. Las corrientes que salen no están generalmente en equilibrio, pero sí mucho más próximas al mismo de lo que lo estaban las corrientes de entrada. La proximidad al equilibrio depende de la eficacia de la mezcla y de la transferencia de materia entre fases. Para simplificar el diseño se supone que las corrientes que salen de las etapas están en equilibrio, concepto de etapa ideal, y con posterioridad se aplica un factor de corrección o eficacia para tener en cuenta esta separación del equilibrio.

Descripción de la instalación

Se alimenta a la columna cerca de su parte central con un determinado flujo y una concentración definida. El plato en el que se introduce la alimentación recibe el nombre de plato de alimentación. Todos los platos por encima de éste, constituyen la sección de rectificación, mientras que todos los platos por debajo de la alimentación, incluyendo el plato de alimentación, constituyen la sección de agotamiento. La alimentación desciende por la sección de agotamiento hasta el fondo de la columna, donde se mantiene un nivel de líquido definido. El líquido fluye por gravedad hasta el calderín, que genera vapor y lo devuelve al fondo de la columna, comenzando así el ascenso por la columna de dicho vapor. Del calderín se extrae el producto de cola. Los vapores que llegan a la parte superior de la columna se condensan totalmente en un condensador. Parte de este condensado se devuelve al plato superior de la torre y parte se extrae como producto. Esta corriente de líquido recibe el nombre de reflujo. El líquido que desciende es el que iteraciona con el vapor ascendente. Si no se forman azeótropos, los productos de cabeza y cola pueden obtenerse con una pureza elevada si hay suficientes platos y utilizando un reflujo adecuado.

Ventajas y aplicaciones

La variedad de las columnas de rectificación y sus aplicaciones es enorme. Las mayores unidades se encuentran generalmente en la industria del petróleo, pero también existen columnas grandes y plantas de destilación muy complicadas en el fraccionamiento de disolventes, en la separación del aire líquido y en los procesos químicos en general.

Diagrama de flujo

Esquema de una destilación típica con un equipo de “flash” previo. Columna de destilación

ABSORCIÓN GAS-LÍQUIDO

Principios de operación

La absorción es una operación unitaria de transferencia de materia consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas, que queda libre de los mismos. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico. En una sección cualquiera de la columna están en contacto un gas y un líquido que no están en equilibrio, por lo que se produce una transferencia de materia. La fuerza impulsora actuante es la diferencia entre la presión parcial en el gas del componente que se transfiere y la presión parcial que tendría el componente en un gas que estuviera en equilibrio con el líquido del punto considerado


Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases es la torre de relleno. El dispositivo consiste en una torre equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior, una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el líquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre, el cual puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. La entrada de líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en la operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas que contiene el soluto asciende a través de los hendiduras del relleno en contracorriente con el flujo de líquidos, y así el líquido se enriquece de soluto a medida que desciende por la torre. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases, y la mayoría de los rellenos de torre se construyen con materiales

baratos, inertes y ligeramente ligeros, tales como la arcilla, porcelana o diferentes plásticos. A veces se utilizan anillos metálicos de pared delgada, de acero o aluminio. Por último cabe mencionar que el diámetro de una torre de absorción depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, sus propiedades, y la relación de una corriente a otra, y que la altura de la torre, y por tanto el volumen del relleno, depende de la magnitud de las variaciones de concentración que se desean y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno.


Uno de los ejemplos típico es la absorción de amoniaco contenido en una mezcla con aire, mediante tratamiento con agua líquida. El soluto se puede recuperar posteriormente del líquido por destilación y el líquido absorbente puede desecharse o bien ser reutilizado. En definitiva, la absorción gas-líquido se utiliza siempre que tengamos una corriente gaseosa, en la cual haya un componente que queramos eliminar, desde los procesos petroquímicos hasta la purificación de un residuo gaseoso.

Diagrama de flujo

Proceso de lavado de un gas. Absorción gas-líquido

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO


Esta técnica se utiliza para separar dos líquidos miscibles utilizando un disolvente que disuelve preferentemente a uno de ellos. En extracción es preciso recuperar el disolvente, generalmente por destilación, para su reutilización y la operación combinada es más compleja y, con frecuencia más costosa que la destilación sola sin extracción. Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en contracorriente entre dos

fases, muchos de los fundamento de la absorción de gases se pueden aplicar a la extracción líquido-líquido, cuestiones como etapas ideales, eficacias, etcétera.


En extracción, lo mismo que en absorción de gases, es preciso poner en buen contacto dos fases para permitir la transferencia de materia y separar después las fases. Con frecuencia las fases son difíciles de mezclar y todavía más difíciles de separar. El extracto es la capa de disolvente más el soluto extraído y el refinado es la capa de la que se ha separado el soluto: el extracto puede ser más o menos denso que el refinado, de forma que pueda salir por la parte superior del equipo y otras por el fondo. Los equipos de extracción más representativos son columnas de pulverización, torres de relleno y columnas de platos perforados. Uno de los más sencillos es la torre de pulverización, la cual opera en contacto diferencial y no por etapas, teniendo lugar la mezcla y sedimentación de forma simultánea y continua. El líquido menos denso se introduce por el fondo y se distribuye en pequeñas gotas por medio de las boquillas A. Las gotas del líquido ligero ascienden a través de la masa de líquido más pesado que desciende por la torre como una corriente continua. Las gotas se recogen en l a parte superior y forman la corriente del líquido más ligero que sale por la cima de la torre. El líquido más pesado sale por el fondo de la torre. Hay una transferencia continua de materia entre las fases, y la composición de las fases varía a medida que circula por la torre. La velocidad de transferencia es relativamente baja en comparación con absorción o destilación y una columna alta puede ser equivalente a sólo una pocas etapas ideales. Se puede aumentar la transferencia de materia en la torre, llenando la columna con cuerpos de relleno tales como anillos o monturas.


Cuando la separación por destilación es ineficaz o muy difícil, la extracción líquido-líquido es una de las alternativas a considerar. Uno de los principales usos son las mezclas con las temperaturas de ebullición próximas, como derivados del petróleo, o sustancias que no pueden soportar la temperatura de destilación, con frecuencia se separan por extracción, que utiliza diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidades. La extracción puede utilizarse para separar más de dos componentes y en algunas aplicaciones se requiere una mezcla de disolventes en vez de un solo disolvente.

Diagrama de flujo

Extracción de ácido acético en disolución acuosa. Extracción líquido-líquido

INTERCAMBIO IÓNICO


El intercambio iónico se basa en la adsorción, el cual es un proceso de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente las pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido pasa continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y no es posible alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar La mayor parte de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo catiónico o aniónico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección del lecho favorecerá la separación de los iones y la eficacia dependerá del equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de transferencia de materia.


Un aparato de adsorción está constituido normalmente por un recipiente cilíndrico, cerrado, que en su interior contiene la resina. Debido a los dos tipos de resinas, catiónicas y aniónicas, se acostumbra a colocar adyacentes dos columnas, cada una con un tipo de resina, para así eliminar primero los cationes y con posterioridad los aniones. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho soportado sobre una matiz o placa perforada. La alimentación circula a través del lecho en sentido descendente, y cuando la concentración de soluto en el fluido de salida alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido se ha de parar la operación y pasar a regenerar dicho lecho. Para evitar estos inconvenientes, en el trabajo continuo, se colocan dos columnas, y así mientras una trabaja la otra efectúa la

operación de regeneración. La regeneración de una resina catiónica se lleva a cabo añadiendo un ácido fuerte, aportar H+, mientras la aniónica se regenera con bases, compuestos que aporten OH-


Este es un proceso típico para ablandar o desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarse después de un tratamiento previo adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminación de las materias en suspensión, materias orgánicas, cloro residual, cloraminas, etcétera.

Diagrama de flujo

Esquema de un proceso de desionización de agua. Intercambio iónico

SEPARACIÓN POR MEMBRANA


En un equipo de este tipo, una membrana de material polimérico separa dos fluidos con concentraciones diferentes de una determinada sustancia. La membrana impide el flujo hidrodinámico entre los dos fluidos. Sin embargo, es permeable con respecto a la sustancia en cuestión, permitiendo su difusión al fluido con una menor concentración y haciendo posible así la extracción de parte de la sustancia no deseada de la corriente que la contenía inicialmente. Las películas poliméricas en general, pueden ser entendidas como un conjunto de regiones cristalinas y amorfas entremezcladas. Las regiones cristalinas presentan estructuras regulares que hacen muy difícil la difusión de cualquier sustancia a través de ellas y que son consideradas impermeables. Son las regiones amorfas las que pueden permitir el paso a determinadas moléculas.

Descripción de la instalación Como ya se ha dicho, las membranas están fabricadas de material polimérico. Sus espesores son del orden de micras y varían según los casos. Existe una amplia variedad de diseños de unidades de separación por membrana. En concreto, para la separación de gases, tres son los modelos más frecuentemente utilizados:

- el modelo "hollow-fiber" - el modelo "spiral-wound" - el modelo de plato y carcasa


El uso de técnicas de separación por membrana de líquidos o gases resulta muy válido para separar mezclas de compuestos con propiedades físicas y químicas similares, mezclas de isómeros y mezclas que contienen sustancias térmicamente inestables. Este tipo de procesos es particularmente útil como técnica de separación cuando otras más convencionales no son económicamente recomendables para obtener unas especificaciones de producto determinadas. También suele emplearse complementando a otras técnicas más clásicas. Por ejemplo, una unidad de separación de membrana puede utilizarse para romper una mezcla azeotrópica antes de que ésta sea alimentada a una columna de destilación.

Diagrama de flujo

Esquema de un proceso en el que se utiliza un equipo de separación por membrana para romper una mezcla azeótrópica de dos componentes (comp1, comp2) antes de someterla a un proceso de destilación. Separación por membrana

ÓSMOSIS INVERSA


La ósmosis inversa separa un soluto de una disolución forzando al solvente a fluir a través de una membrana mediante la aplicación de una presión superior a la presión osmótica normal. En la ósmosis inversa, las moléculas de soluto son de un tamaño similar al de las moléculas de disolvente. Al contrario que otras operaciones unitarias como la destilación, este proceso permite operar a temperatura ambiente. Además, combina simplicidad técnica con versatilidad.


Los materiales más frecuentemente utilizados en la fabricación de las membranas son el acetato de celulosa y las poliamidas aromáticas. Cuatro son los modelos más comunes empleados en la separación por ósmosis inversa:

- el modelo "hollow-fiber" - el modelo "spiral-wound" - el modelo de plato y carcasa - el modelo tubular


A pesar de que la ósmosis inversa se utiliza fundamentalmente en la desalinización de agua, ya sea para consumo humano o para uso industrial, también resulta frecuente su uso en procesos de producción de sustancias inestables térmica o químicamente en los que los métodos tradicionales de separación provocan pérdida de producto o deterioro de su sabor (medicinas, alimentos…). La ósmosis inversa también se emplea para fraccionar mezclas de materiales difíciles de separar por otros medios, como polímeros naturales o sintéticos.

Diagrama de flujo

Esquema de un proceso de desalinización de agua de mar. Ósmosis inversa

CENTRIFUGACIÓN


El equipo gira alrededor de un eje, generando así una fuerza centrífuga que hace que las partículas de la fase más pesada se dispongan formando una capa lo más alejada posible del eje de rotación, todo lo contrario que ocurre con las partículas de la fase más ligera.


Podemos hablar de tres tipos fundamentales de separadores centrífugos

- centrifugador "tubular-bolw". Gira a velocidades muy altas, generando fuerzas centrífugas del orden de 13,000 veces la fuerza de la gravedad. Está construido para operar con caudales de entre 200 y 2,000 litros/hora. Al no disponer de un sistema de extracción automático, sólo puede trabajar con concentraciones pequeñas de sólidos. - centrifugador "disk-bowl". Gira a una velocidad inferior al anterior y genera una fuerza centrífuga 7,000 veces la de la gravedad. Puede manejar caudales de hasta 20,000 litros/hora con cantidades moderadas de sólidos. - centrifugador "solid-bowl". Su velocidad de giro provoca fuerzas centrífugas de 3,000 veces la de la gravedad. Es capaz de trabajar con corrientes que contienen gran cantidad de sólidos, separando hasta 50 toneladas/hora de esas sustancias.


Esta clase de separadores están diseñados para operar con corrientes líquido-sólido y líquido-líquido-sólido. Los sistemas gas-sólido se separan por medio de otro tipo bien diferenciado de equipos que son los ciclones.

Diagrama de flujo

Esquema de un proceso de producción de polipropileno en el que se utilizan dos equipos de centrifugación para separar el polvo de polipropileno del disolvente. Centrifugación

SEPARACIÓN ELECTROSTÁTICA


La separación electrostática es un método de separación basado en la diferente atracción o repulsión de partículas cargadas bajo la influencia de un campo eléctrico. La aplicación de una carga electrostática a las partículas es un paso necesario antes de que su separación pueda tener lugar. Tres son las técnicas más utilizadas para dotar a las partículas de dicha carga:

- electrificación por contacto entre materiales con propiedades muy diferentes. - inducción conductiva, la cual tiene lugar al poner en contacto una partícula inicialmente no cargada con una superficie que sí que lo está. - bombardeo de iones de gases atmosféricos. Este es el método más poderoso de electrificación.


Los separadores electrostáticos pueden dividirse en tres grandes grupos según que sistema de electrificación de partículas se utilice. Dentro de cada uno de estos grupos, existen varias clases. La más extendida industrialmente es la de los "conductive roll separators", que utilizan el bombardeo iónico como técnica de electrificación de las partículas.


Las aplicaciones de este tipo de separadores son diversas: – separación de minerales en cadenas de purificación de extracciones mineras. - extracción de partículas no metálicas contenidas en polvos metálicos. - separación de piedra y arena de verduras y hortalizas en una primera fase de su procesado. - extracción de partículas en el tratamiento de aguas. Mediante este tipo de equipos, resulta muy difícil separar partículas con un tamaño inferior a 0.074 mm, y prácticamente imposible si su tamaño es inferior a 0.044mm.

La inversión a realizar cuando se quiere adquirir uno de estos equipos es grande, aunque los costes de operación no son demasiado elevados.

Diagrama de flujo

Esquema de un proceso típico de separación de partículas. Separación electrostática

1.6 Factores que afectan la separación

Básicamente las variables o factores a considerar para el diseño del

separador son las propiedades del fluido y las diferentes secciones del

separador.

Se analizan las propiedades de los fluidos porque de ellos derivan el

comportamiento de las fases que se separan. Además se considera

también las secciones del separador, porque representa los diferentes

ambientes con los que interactúa el fluido en su separación.

1.7 Diseño de separadores

El diseñar un separador que cumpla con las expectativas de separación

de petróleo y gas es de fundamental importancia para el desarrollo de la

industria petrolera contemplada en la fase de upstream. El diseñar de

forma incorrecta un recipiente puede traer como consecuencia una

reducción en la capacidad de operación de las facilidades de superficie,

más propiamente del modulo de separación.

Para el diseño de un separador, los siguientes puntos son necesarios a

considerar:

La energía del fluido en la corriente de entrada.

Los caudales de producción de líquido y gas.

La turbulencia en la sección de gas y los regímenes de flujo del

líquido.

El contenido de agentes productores de espuma

Las fases liquida y gaseosas ya separadas deben manejarse de

forma independiente, para que no vuelvan a juntarse.

Las salidas de flujo deben estar instrumentadas mediante

controladores de presión y de nivel.

Las regiones donde se acumulan sólidos deben tener su

respectivo dispositivo de limpieza

El separador debe estar dotado de manómetro, termómetros y

controladores de nivel fundamentalmente.

Todo separador debe tener una boca de visitas para llevar a cabo

las limpiezas respectivas.

Son muchas las variables contempladas en la separación de de fluidos

mediante un separador. Sin embargo las que se consideran más

significativas son:

Las razones de flujo mínima y máxima de tanto la fase liquido

como gaseosa

La temperatura y presión de operación del separador

Las propiedades de los fluidos como son la densidad, la

viscosidad y corrosividad

La presión de diseño del separador

El numero de fases que debe manejar la unidad , separador

bifásico o separador trifásico

Las impurezas presentes como arena, parafina y otras

La tendencia de los fluidos a causar espuma

La velocidad de erosión y sus efectos

Las tasas de alimentación del separador

1.8 Consideraciones del diseño

Composición del flujo que se va separar

Caudal del gas en condiciones normales Presión y temperatura de operación Factor de compresibilidad del gas en condiciones de trabajo Densidad de los fluidos en las condiciones de operación Velocidad critica del gas dentro de la unidad Tiempo de retención asignado al liquido Dimensionamiento del separador

1.9 Diseño de separadores

a) Hallar la velocidad crítica:

b) Evaluar el flujo volumétrico del gas en condiciones de operación:

c) Determinar el valor del diámetro mínimo del separador:

d) Calcular el volumen de retención del líquido (V):

e) Dar la altura total del separador (H o L)

Se recomienda que la distancia entre la entrada al separador y el nivel más

alto del líquido sea de dos pies aproximadamente, por lo tanto:

Sin embargo, esta dimensión no debe ser menor de dos pies. Por esta

razón se toma:

Luego:

Hs = 4,167 + 0,5 * 4,167 + 1,667 + 2 + 2 = 14,501 pies.

Como la altura más cercana a este valor es de 16 pies, con dos placas de 8

pies de altura se usa H=16 pies. Si las láminas son de 7,5 pies, la altura del

recipiente sería de 15 pies. Por consiguiente se concluye que el diseño del

separador debe tener:

Din = 10 pies

Hs = 15 ó 16 pies.

Separador vertical de petróleo y gas

1.10 Etapas de separación

Los separadores, para poder cumplir con las funciones requisitos

señalados anteriormente, deben poseer cuatro secciones principales

(como se muestra en la figura #1). Estas son las siguientes:

Sección de separación

Comprende la entrada de los fluidos al separador. Esta sección permite

absorber la cantidad de movimiento de los fluidos de la alimentación. En

ella también se controla el cambio abrupto de la corriente, lo que

produce una separación inicial. Generalmente, la fuerza centrifuga

originada por su entrada tangencial n el envase remueve volúmenes

apreciables de líquidos y reorienta la distribución de los fluidos.

Sección de las fuerzas gravitacionales

En esta parte del separador, las fuerzas gravitacionales tienen una

influencia fundamental. Las gotas del líquido que contiene el gas son

separadas al máxima. Este proceso se realiza mediante el principio de

asentamiento por gravedad. En este caso, la velocidad del gas se

reduce apreciablemente, en esta sección se usan tabiques y otros tipos

de extractores de niebla, con el fin de controlar la formación de espuma

y la turbulencia.

Sección de extracción de niebla

Aquí se separan las minúsculas partículas del líquido que aun contiene

el gas, después de haber pasado por las dos secciones anteriores. La

mayoría de los separadores utilizan, como mecanismo principal de

extracción de niebla, la fuerza centrifuga o el principio de choque. En

ambos métodos, las pequeñas gotas del líquido se separan de la

corriente de gas en forma de grandes gotas, que luego caen a la zona

de recepción de líquidos.

Sección de acumulación de líquido

Los líquidos separados en las secciones anteriores se acumulan en la

parte inferior del separador, por lo tanto, se requiere de un tiempo

mínimo de retención que permita llevar a cabo el proceso de separación.

También se necesita un volumen mínimo de alimentación, en especial

cuando el flujo es intermitente. Esta parte posee controles de nivel para

manejar los volúmenes de líquido obtenidos durante la operación.

BIBLIOGRAFÍA

Perry R.H., Green D. / "Perry’s Chemical Engineers Handbook" / McGraw-Hill / 1988.

McCabe W.L., Smith J.C. / "Unit Operations of Chemical Engineering" / McGraw-Hill / 1993.

Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnot R.K. / "Chemical Engineering" / Pergamon Press / Vol. 6 / 1993.

monografia separadores.docx

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