Dimensionamiento de un Separador API

Dimensionamiento de un Separador API

El procedimiento de dimensionamiento de los separadores API está descrito en la publicación API 421 Design and Operation of Oil-Water Separators. En nuestro artículo hacemos un repaso al procedimiento con las claves para lograr unas dimensiones “razonables”.

¿Qué es un Separador API?

Un separador API, en términos simples, no es más que uno o más tanques rectangulares en paralelo que separan por gravedad el aceite libre de un efluente aceitoso, y que asemeja a un canal rectangular por la relación entre su longitud y ancho. En los países de Suramérica suelen ser denominados como piletas API.

Variables de Diseño Dimensional de un Separador API

El procedimiento consiste en obtener las dimensiones L, B y d y el número de canales n, como se muestra en la figura.

Variables de Diseño Dimensional de un Separador API

Variables de Diseño Dimensional de un Separador API

Las variables son:

Qm = Flujo de diseño del separador en ft3/min

L= Longitud del canal separador en ft

B = Ancho del Canal Separador en ft

AH =Área horizontal o de planta de los canales o piletas en ft2

AC =  Área de sección transversal de los canales en ft2

AC =  d B n

API 421 se basa en la ley de Stokes  para determinar la velocidad de ascenso de las gotas de aceite libre, para las cuales se toma el valor de 150 micrones (0,015 cm) como el diámetro mínimo a separar en una pileta API. La ecuación de Stokes simplificada queda entonces, de la siguiente manera:

Ley de Stokes Separador API FPS

Ec. de la Ley de Stokes para separador API (d=150 micrones)

donde:

Vt = Velocidad de ascenso de la gota en ft/min.

Sw = Gravedad específica del agua a la temperatura de diseño.

So= Gravedad específica del aceite a la temperatura de diseño.

μ = Viscosidad del agua aceitosa a la temperatura de diseño en poise.

Se puede demostrar (Allen Hazen 1904), bajo condiciones ideales de flujo laminar, que una gota en la entrada del tanque tardará en ascender desde el fondo un tiempo equivalente al tiempo de residencia del efluente en el tanque tr.

Flujo Laminar en Canal Rectangular

Flujo Laminar en Canal Rectangular

Hazen Demostration of Sedimentation Theory

Despejando el área mínima horizontal viene dada por:

Ecuación de Hazen

Ecuación de Hazen

La API 421 ha añadido un factor F para tomar en cuenta la turbulencia y corto-circuito para determinar el área horizontal:

Hazen-Modified

donde:

F= Factor de turbulencia y cortocircuito (adimensional).

Datos Necesarios para el Dimensionamiento de un Separador API

Qm = Caudal de diseño en ft3/min

T = Temperatura de diseño º C / ºF para determinar las propiedades del efluente.

Sw = Gravedad especifica del agua aceitosa a la temperatura de diseño

So = Gravedad específica del aceite a la temperatura de diseño

μ = Viscosidad del agua aceitosa a la temperatura de diseño en poise.

A TENER EN CONSIDERACIÓN:

  • El caudal de diseño suele ser el máximo posible para el caso de equipos API conectados directamente al sistema de drenaje. En el caso de equipos alimentados desde tanques o lagunas de compensación, suele ser el caudal promedio.
  • La temperatura gobierna el dimensionamiento del tanque ya que la viscosidad del agua residual aumenta con la disminución de la temperatura y es el factor que más pesa en la ecuación. A menor temperatura menor velocidad ascensional de la gota, y por ende un tanque que ocupa más área. Corresponde al juicio del ingeniero, decidir la temperatura de diseño, siendo lo más conservador la temperatura mínima de operación.
  • La diferencia de densidad es la fuerza impulsora para el ascenso de la gota. A medida que esta diferencia es menor, mayor dificultad se encontrará en la separación por gravedad. Mientras más liviano es el aceite, menos denso, más fácil será su separación.
  • Como la gravedad especifica del agua es aproximadamente 1. Una gravedad específica de 1 para el aceite haría la fuerza ascensional 0. Esto limita la separación hasta petróleo crudo de 10.1 ºAPI aprox.

Procedimiento de Dimensionamiento de un Separador API

  1. Obtenga la velocidad ascensional de la gota de acuerdo a la Ec. (1).
  2. La velocidad horizontal se obtiene así:      Vh = 15 Vt     <   3 ft/min.

    Velocidad Horizontal y Velocidad Terminal en Piletas API

    Velocidad Terminal y Velocidad Horizontal en Piletas API

  3. Si 15 Vt es mayor que 3, tomar 3 ft/min como valor máximo.
  4. Calcular Ael área de sección transversal de los canales en ft2Área de la Sección Transversal
  5. Para estimar el número mínimo de canales, se asume que las dimensiones del canal práctico más grande posible es aquel con un ancho B de 20 ft y una profundidad d de 8 ft. Esto da un área horizontal de 160 ft2. De esta forma n min = Ac/160. Si n es menor a 2. Tomar 1 o 2 como valor de diseño. API PUB 421 recomienda usar n=2 para hacer operaciones de mantenimiento, sin necesidad de derivar todo el separador.
  6. Escoja un ancho de canal B. Recuerde que si va a colocar un mecanismo barrelodos y barrenatas en el equipo API, el mínimo ancho recomendado para una adecuada instalación es 5 ft. Escoja un ancho de canal estándar, los canales estándar para fabricantes americanos comienzan en 5 ft hasta 20 ft en incrementos de 1 ft. 
  7. Una vez escogido el ancho del canal, obtenga d. Equation 4
  8. La relación d / B debe estar el rango de valores aceptados de 0.3 a 0.5. El valor de d calculado por la ecuación (4) servirá de guía y es el valor mínimo de d para satisfacer la condición de velocidad horizontal Vh de la ecuación (3), pero deberá, a su mejor juicio, escoger el valor de d. Tome en cuenta que los valores aceptados de profundidad están en el rango de 3 ft a 8 ft. Si va a incluir un mecanismo barrelodos y barrenatas para una profundidad de 3 ft  este estará limitado a dos ejes. Lo usual es usar mecanismos de cuatro ejes y para acomodarlos es necesario, al menos una profundidad de 5 ft . Los mecanismos de dos ejes tienen además límites menores en la longitud, para mantener la tensión de la cadena y evitar el descarrilamiento. Cuando diseñe entre 3 ft y 5 ft de profundidad deberá consultar a los fabricantes.
  9. Revise que la relación de d/B esté entre 0.3 y 0.5. Si no tendrá que seguir jugando con la escogencia de d y B hasta que cumpla esta condición.
  10. Calcule ahora la velocidad horizontal para las dimensiones d y B seleccionadas.
    Equation 5
  11. El Factor F de turbulencia y cortocircuito viene dado por F = Fc Ft. El factor de cortocircuito Fse asume en 1.2 y el factor de turbulencia es función de YVh/Vt,. El factor total F se obtiene de la Figura 4 de la API 421, pero puede usar la ecuación a continuación:Equation 6
  12. La longitud del separador viene dada por la siguiente ecuación: L = F (Vh / Vt) d .
  13. La mínima relación L/B es 5. Obtenga L/B a partir del resultado obtenido en 12 y si es menor a 5, obtenga L como:  L = 5 B

EJEMPLO

DATOS:

Qm = Caudal de diseño = 110 GPM = 14.7 ft3/min

T = Temperatura de Diseño º C = 20º

Sw = Gravedad especifica del agua aceitosa @T = 0.991

So = Gravedad específica del aceite @T = 0.857

μ = Viscosidad del agua aceitosa @T =0.01034 poise.

CÁLCULOS:

  1. Vt  = 0.0241*(0.991-0.8579) / (0.01034) = 0.23 ft/min 
  2. Vh = 15 Vt = 3.47 ft/min
  3. Vh > 3. Se toma 3 ft/min
  4. AC= Qm/Vh = 14.7 / 3 = 4.9 ft2
  5. nmin= A/ 160 = 0,0306     ⇒ n=2
  6. Asumimos que vamos a instalar un mecanismo barrelodos y barrenatas, y escogemos el ancho mínimo B= 5 ft
  7. dmin= AC / (B n) = 4.9 ft2 / (5 ft x 2) = 0,49 ft. Escogemos d = 3,5 ft .
  8. d/B = 3,5 / 5 = 0,7.
  9. Como d/B es mayor que 0.5. Escogemos B = 7 ft para tener una relación de d/B=0.5
  10. Vh = 14.7 / (7 x 3.5 x 2) = 0.3 ft/min
  11. Y = 0.3 / 0.23 = 1.3,  F = 0.005 (1.3)2 + 0.0355 (1.3) + 0.9617 = 1.01
  12. L = F (Vh / Vt) d = 1.01 x 1.3 x 3,5 ft = 4,59 ft  
  13. L/B = 0.66  L= 5 x B = 5 x 7 = 35 ft.

Respuesta: L= 35 ft, B= 7 ft, d=3,5 ft