Dimensionamiento de Separadores

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    ANEXO 1

    DIMENSIONAMIENTO DE

    SEPARADORES 

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    Salida de Gas

    FD= Fuerza de arrastre

    Gota de

    líquido

    Velocidad de

    asentamiento

    (Relativa a la

    fase gas)

    Vt=

    Vg 

    FB=Fuerza

    Bouyancia

    (asentamiento)

    Vg = Velocidad promedio

    del Gas QA=

    d

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    SEPARADORES BIFASICOS 

    La velocidad terminal es dada por la relación:

    Donde:

    (1)

    Vt Velocidad terminal o de asentamiento de la gota de

    liquido en ft/s

    dm  Diámetro de la gota de líquido en micrones 

    l Densidad del liquido en lb/ft3

    g  Densidad del gas a condiciones de operación en

    lb/ft3 

    CD Coeficiente de arrastre

    Vt = 0.0119  l- g

     g

    dmCD

    ½

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    SEPARADORES BIFASICOS 

    Donde:Re= numero de Reynolds, adimensional.

    Donde:

    Viscosidad del gas en cPμ=

    (3)

    (2)CD =24

    Re+ 0.34

    Re

    3+

     

    Re = 0.0049

    g dmV

    μ

    ½

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    SEPARADORES BIFASICOS 

    La experiencia de campo indica que si en lasección de asentamiento de las gotas en el

    separador son removidas las gotas de 140

    micrones,  la malla demister será capaz de

    remover las gotas entre 10 y 140 micrones de

    diámetro.

    Se ha encontrado que tiempos de retención

    entre 3 y 30 min son suficientes para la

    mayoría de las aplicaciones. En crudos con

    tendencia a formar espuma, se requieren

    tiempos de retención hasta 4 veces mayores.

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    TIEMPO DE RETENCION PARA

    SEPARADORES BIFASICOS 

    °API TIEMPO DE RETENCION(min)

    35 0.5 a 1

    30 2

    25 3

    20 4

    Si existe espuma, aumente los anteriores

    tiempos de retención por un factor entre 2 y 4

    Si existe alto CO2, use mínimo 5 minutos de

    tiempo de retención.

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    El diámetro mínimo del separador puedeestimarse mediante la siguiente ecuación:

    Donde:

    (4)

    d Diámetro interno del separador en pulgadas

    P Presión de operación en psia

    T Temperatura de operación en °R

    Z Compresibilidad del gas

    Qg Caudal de gas en MMSCFD

    d2

     = 5.040

    TZQg

    P

    g

    l- 

    g

    CD

    dm

    ½

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    La altura requerida para la retención delliquido se estima a partir de la ecuación:

    Donde:

    (5)

    h Altura del volumen de liquido en pulgadas (in)tr Tiempo de retención deseado para el líquido en

    minutos (min)

    Ql Caudal de líquido en BPD

    d2 h =tr Ql0.12

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    La longitud del separador se estima mediante

    las ecuaciones:

    L ss = Longitud del separador de costura a

    costura en pies. 

    Donde:

    (7)

    (6)L ss 

      =h + 76

    12 (para diámetros < 36in)

    L ss   = h + d + 40

    12

    (para diámetros>36in)

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    Salida de Gas

    Extractor de niebla

    Sección de

    asentamiento

    gravitacional

    Sección de

    choque

    Sección

    acumuladorade líquido

    DrenajeD = diámetro mínimo para la separación del gas

    Entrada

    Salida de líquido

       L  o  n  g   i   t  u   d

       4  »

       h

       2   4  »   M   i  n .

       d   +   6  »  o   4   2  »   M   i  n .

       6  »

    Longitud de costura a costura para un separador vertical en pies. 

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    El procedimiento para dimensionar

    separadores bifásicos verticales consiste en:

    Establecer las bases de diseño. Estas incluyen los

    caudales o flujos tanto de gas como de líquido quedeben separarse, la temperatura y la presión de

    operación, tamaño de gota a ser removida.

    Determinar mediante la ecuación 4 el diámetro

    mínimo requerido para el separador.

    Cualquier diámetro mayor que este valor se puede

    usar.

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    Para el diámetro seleccionado, determinar

    mediante la ecuación 5 la altura requerida para

    retener la fase líquida durante un tiempo de

    residencia dado.

    A partir de los valores de d y h, estimar la altura de

    costura a costura (seam-to-seam) utilizando lasecuaciones 6 y 7. utilizar el mayor valor de Lss.

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS VERTICALES 

    Asegúrese que la relación de esbeltez (Lss/d) sea

    menor que 4

    Seleccione un tamaño de recipiente estandar, esta

    sera siempre la mas economica. Hasta 24

    pulgadas de diámetro exterior se tendrán

    dimensiones de tubería nominal. Para diámetros

    mayores de 24 pulgadas se usará lámina enrollada

    con incrementos de diámetro de 6 pulgadas.

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Los separadores horizontales se operan 50%llenos de líquidos para maximizar el área

    superficial de la interface gas-liquido.

    Capacidad para manejo de gas que permitan que

    las gotas de liquido caigan del ga a la fase liquida a

    medida que atraviesan la longitud efectiva del

    separador.

    También debe proveer suficiente tiempo de

    retención para permitir que el liquido alcance el

    equilibrio con el gas.

    Estas dimensiones deben satisfacer:

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Para un separador 50% lleno que separe gotasde líquido de 100 micrones, la siguiente

    ecuación permite determinar sus dimensiones:

    L eff = Longitud efectiva del separador donde

    ocurre la separación, en pies.

    Donde:

    (8)dLeff = 420TZQg

    PCDdm

    ½(  ) 

    g

    l- g

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Para un separador horizontal 50% lleno de

    liquido, que requiera manejar un caudal de

    líquido y un tiempo de retención dados, la

    siguiente ecuación se puede usar para

    determinar el tamaño del separador:

    (9)d2 Leff = tr QlO.7

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    De las ecuaciones 8 y 9 se puede calcular la

    longitud efectiva del separador y con esta

    puede determinarse la longitud costura a

    costura.

    La longitud costura a costura del separador

    puede estimarse como el mayor valor

    calculado con las ecuaciones:

    (10)Lss = Leff + d

    12

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Las ecuaciones 8 y 9 permiten seleccionarvarias opciones de diámetro y longitud. Para

    cada diseño, existe una combinación de L eff y

    d.

    Una relación de esbeltez (12Lss  /d) entre 3 y 4

    es recomendada para diseñar separadores

    bifásicos.

    (11)Lss = (4/3) Leff

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    El procedimiento para dimensionar

    separadores bifásicos horizontales 50% llenos

    de líquido consiste en:

    Establecer bases de diseño. Incluyen caudales

    o flujos de gas y liquido que deben separarse,

    la temperatura y la presión de operación y

    tamaño de la gota a remover.

    Preparar tabla con valores calculados de Leff para

    valores seleccionados de d que satisfagan

    ecuación 8. Calcule Lss usando ecuación 10

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    Longitud costura a costura = Lss

    Vg

    Vt

    Líquido

    Convenciones:

    Vg= Velocidad promedio del Gas

    Vt= Velocidad terminal relativa al gas

    FB= Fuerza de Buoyancia

    QA=

    Longitud efectiva = Leff SalidaEntrada

    FB

    Trayectoria de

    la gota de liquido. dm

    Vg

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Para los mismos valores de d calcule valores de

    Leff  usando ecuación 9 y liste estos valores en la

    misma tabla. Calcule Lss usando la ecuación 11.

    Para cada valor de d, el mayor valor de Leff  

    debería usarse.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    BIFASICOS HORIZONTALES 

    Calcule la relación de esbeltez (12 Leff  /do) e

    inclúyalo en la lista para cada valor de d.

    seleccione una combinación de d y Lss que

    tenga una relación de esbeltez entre 3 y 4.

    Seleccione un tamaño de recipiente estándar

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADORES TRIFASICOS 

    Los conceptos de diseño utilizados en losseparadores bifásicos para la separación de

    liquido y gas son aplicables a la separación de

    gas que tiene lugar en los separadores

    trifásicos.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADOR TRIFASICO HORIZONTAL 

    Sección de asentamiento gravitacional

    Desviador de entrada

    Extractor de

    niebla

    salida

    de gas

    Salida de agua

    Entrada

    Petróleo y emulsión

    Agua

    PC

    Válvula reguladora de

    presión

    L

    C

    Salida de petróleo

    L

    C

    Válvula de control de nivel

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    d

    βd

    αA

    A = Ԓd2

    4

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADORES TRIFASICOS 

    La separación agua-crudo ya sea por

    asentamiento de gotas de crudo en agua o

    gotas de agua en el crudo es gobernada por la

    ley de Stokes. La velocidad terminal de la gota

    es calculada mediante la ecuación:

    Vt =1.78 x 10-6 ( ΔSG) d2 m

    μ (12)

    Donde:

    Viscosidad de la fase continua en Cp

    Diferencia en gravedad específica relativa

    al agua entre las fases aceite y agua.

    μ=

    ΔSG= 

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADOR TRIFASICO VERTICAL 

    Desviador de entrada

    Entrada de

    líquido

    Aceite-Agua

    interfaz

    Agua

    Petróleo

    Gas

    P

    C

    L

    C

    Salida de

    agua

    Salida de

    petróleo y gas

    Válvula reguladora de

    presión

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADORES TRIFASICOS 

    Para obtener una corriente de emulsión

    efluente del separador que contenga menos

    del 5% al 10% de agua, hay que utilizar en los

    cálculos un tamaño de gota de agua de 500micrones.

    En sistemas de crudos pesados, algunas

    veces es necesario diseñar para gotas de 1000micrones; en tales casos la emulsión efluente

    puede contener 20% a 30% de agua

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADORES TRIFASICOS 

    El propósito fundamental de una separacióntrifásica es reducir el contenido de agua del

    crudo para deshidratarlo en una etapa

    posterior de tratamiento hasta lograr la

    especificación requerida para su venta.

    El contenido de aceite en el agua producida en

    un separador trifásico puede ser entre 200 y

    2.000 ppm. Es común usar tiempos deretención para el crudo entre 3 y 30 minutos en

    el diseño de separadores trifásicos,

    dependiendo de datos de laboratorio o campo.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    SEPARADORES TRIFASICOS 

    Se puede utilizar como guía los datosmostrados en la siguiente tabla.

    °API Tiempos de

    Retención (min)

    Condensados 2 -5Crudos livianos (30 a 40) API 5 – 7.5

    Crudos intermedios (20 a 30)

    °API

    7.5 – 10

    Crudos pesados menores de 20

    °API

    >10

    En caso de que esta información no este disponible, se

    recomienda utilizar un tiempo de retención de 10

    minutos para el agua.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Al igual que en los separadores bifásicos, las

    consideraciones de capacidad para manejo de

    gas y tiempo de residencia establecen ciertas

    combinaciones aceptables de diámetro ylongitud.

    La necesidad de decantar del aceite gotas de

    agua de 500 micrones y permitir el ascenso degotas de aceite de 200 micrones establece un

    diámetro máximo correspondiente al tiempo de

    retención establecido para el liquido.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Al igual que para los separadores bifásicos

    horizontales, la capacidad de manejo de gas

    en un separador trifásico horizontal 50% lleno

    de liquido se determina por la ecuación 8.Las combinaciones aceptables de diámetro y

    longitud del separador para cumplir con las

    consideraciones de tiempo de residencia se

    puede determinar mediante la ecuación:

    d2 Leff = 1.42 ((Qw) (tr )w + (Qo) (tr )o) (13)

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    La velocidad de descenso de las gotas de aguaa través del crudo se puede calcular mediante

    la ley de Stokes.

    Con esta velocidad y el tiempo de retención

    especificado para la fase crudo puede

    determinarse la distancia o altura que cae la

    gota de agua en ese tiempo. Esta altura

    establece un máximo espesor de la capa deaceite, dado por la ecuación:

    ho = (14)0.00128 (tr ) o ( ΔSG) d2

    m

    μ

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Este es el máximo espesor que la capa de

    aceite puede tener y todavía permitir que las

    gotas de agua se decantan en el tiempo (tr )o.

    para gotas de 500 micrones puede usarse lasiguiente ecuación:

    (ho)max = (15)(tr )o( ΔSG)

    μ320

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Para un tiempo de retención de crudo y agua,el limite del máximo espesor de la capa de

    aceite establece un máximo diámetro de

    acuerdo con el siguiente procedimiento:

    1. Calcule (ho)max. Use una gota de 500

    micrones si no hay otra información

    disponible.

    2. Calcule la fracción del área transversal del

    separador ocupada por la fase agua. Esta es

    dada por la relación:

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    = 0.5 (16)Qw(tr )w

    (tr )oQo + (tr )wQw AwA

    3. De la figura 6 determine el coeficiente β 

    4. Calcule dmax:

    dmax = (ho)maxβ 

    Donde:

    Cualquier combinación

    de d y Leff  que satisfaga

    todas las tresecuaciones 8, 13, y 14

    reunirán los criterios

    necesarios.

    (17)

    β  = 

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Las gotas de aceite en fase acuosa asciendena una velocidad terminal definida por la ley de

    Stokes.

    Fig. 6 Coeficiente β  para un cilindro 50% lleno con líquido

    0.0

    0.1

    0.5

    0.4

    0.3

    0.2

    0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

    0.0

    d

    Aw

    Ao d

    2

    ho

    hw

    Aw

    A

    hod

    β 

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

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    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Al igual que las gotas de agua en aceite, lavelocidad y el tiempo de retención se usan

    para determinar el máximo diámetro del

    separador mediante la ecuación 13.

    Es raro que el máximo diámetro determinado

    para gotas de aceite 200 micrones que

    ascienden a través de la fase acuosa sea

    mayor que uno para gotas de agua de 500micrones que caen a través de la fase aceite.

    Por lo tanto, el máximo diámetro se determina

    a partir de la decantación del agua.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    39/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Para gotas de 200 micrones se puede usar laecuación:

    (hw)max =

    (51.2(tr )w

    μw(18)

    ( ΔSG))

    La longitud efectiva del separador puede

    calcularse con la ecuación 13, tal como en los

    separadores bifásicos. La longitud costura a

    costura se determinara con ecuaciones 10 y

    11.

    La relación de esbeltez (Lss/d) es de 3 a 5.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    40/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Procedimiento para dimensionar separadorestrifásicos horizontales:

    Calcule dmax con la ecuación 17

    Calcule β de la curva de la figura 6

    Calcule Aw/A con la ecuación 16

    Calcule (ho)max (utilice la ecuación 15)

    Seleccione un (tr )o y un (tr )w

    Establecer bases de diseño

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    41/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS HORIZONTALES 

    Seleccione tamaño de recipiente estándar

    Seleccione diámetro y longitud razonable, que larelación esbeltez este en un rango de 3 a 5

    Estime la longitud de costura a costura con

    ecuaciones 10 y 11

    Con ecuación 13 calcule combinaciones de d, Leff

    para d menor que dmax

    Con ecuación 8 calcule combinaciones de d, Leff  para

    d menor que dmax. Use gotas de 100 micrones.

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    42/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    Al igual que un separador bifásico, el diámetro

    mínimo de un separador trifásico vertical

    puede estimarse mediante la ecuación 4.

    El requerimiento para que las gotas de agua se

    decanten del crudo requiere que se cumpla:

    d2 = 6.690 QO

    (19)( ΔSG) d2m

    μ 

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    43/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    Para gotas de 500 micrones, la ecuación

    anterior llega a ser:

    d2

    = 0.0267

    QO(20)

    ΔSG

    μ 

    La misma ecuación 19 se utiliza en los

    cálculos para separar el crudo del agua. Para

    gotas de 200 micrones, esa ecuación se

    convierte en:

    d2 = 0.167QO

    ΔSG

    μ 

    (21)

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    44/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    El tiempo de residencia de las dos fases

    liquidas se satisface con la relación:

    ho + hw = (tr ) (22)0.12 d2 

    o

    Qo

    +(tr 

    )w

    Qw

     

    ho = altura de la capa de crudo, in

    hw = altura de la salida de agua a la interface, in.

    Donde:

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    45/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    Como longitud efectiva se tomara el mayor

    valor obtenido de las relaciones:

    Lss = ho+ (23)12h

    w

    +76 

    Se recomienda utilizar una relación de esbeltez

    no mayor de cuatro, preferible entre 1.5 y 3.

    y… 

    (para diámetros36in)

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    46/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    Procedimiento para dimensionar separadorestrifásicos verticales:

    Utilice la misma ecuación 19 para calcular diámetro

    mínimo para que gotas de crudo asciendan a través de

    la fase acuosa Utilice ecuación 21 para gotas 200

    Utilice ecuación 19 para calcular el diámetro mínimo

    para que gotas de agua caigan a través de fase aceite

    Determinar mediante ecuación 4 diámetro mínimo

    requerido para el separador

    Establecer las bases de diseño

  • 8/17/2019 Dimensionamiento de Separadores

    47/47

    DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES

    TRIFASICOS VERTICALES 

    Si es posible, seleccione un separador de tamaño

    estándar

    Verifique que la relación de esbeltez este entre 1,5 y 3

    Estime Lss mediante la ecuación 23 y 24. Seleccione

    el mayor de estos valores

    Determine ho + hw utilizando la ecuación 22

    Seleccione el mayor de los tres diámetros calculados

    como diámetros mínimos en pasos 2 a 4