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    4. EMULSIONES

    Casi siempre el fluido producido por un pozo es una mezcla de gas, petrleo y agua.

    Normalmente el agua y el aceite son dos fases inmiscibles y al estar en contacto se separan

    por gravedad (segregacin). En el caso de un pozo el agua y el aceite producidos pueden

    estar efectivamente con dos fases inmiscibles y en este caso separarlas es bastante sencillo

    pues se pueden hacer muchas veces de una manera directa en el separador trifsico o si se

    tienen separadores bifsicos, la fase lquida que sale de ste se pueda llevar a un tanque

    donde se deja en reposo durante un tiempo, relativamente corto, para permitir que se

    presente la segregacin; pero otras veces el agua y el petrleo producidos por el pozo

    pueden estar mezclados ntimamente haciendo muchas veces imposible la separacin por

    gravedad, en este caso se dice que se presentan emulsiones bien sea de agua en aceite o, lo

    contrario, de aceite en agua.

    La presencia de emulsiones es un problema bastante comn en campos de petrleo y

    romperlas, o sea separar las fases componentes, es a veces tan costoso que puede

    representar un porcentaje alto del costo de produccin de un barril de crudo.

    Una emulsin es una mezcla ntima de dos fases inmiscibles en la cual una fase est

    dispersa, en forma de pequeas gotitas, en la otra fase que permanece continua; la fase

    dispersa se conoce como fase interna y la continua como fase externa. Pueden existir

    muchas clases de emulsiones, dependiendo del tipo de fases que las forman, pero en este

    caso nos interesan las emulsiones entre aceite y agua y de ellas se seguir hablando de aqu

    en adelante.

    4.1. Clasificacin de las emulsiones

    Las emulsiones se pueden clasificar de diferentes maneras dependiendo del aspecto que se

    tenga en cuenta para hacerlo:

    De acuerdo a la estabilidad 1. Estables 2. Inestables

    Una emulsin es estable cuando luego de formada, la nica forma de conseguir que las

    fases se separen es aplicando un tratamiento especial; una emulsin es inestable cuando

    luego de formada si se deja en reposo durante un tiempo las fases se separan por gravedad,

    aunque el tiempo requerido para que se presente segregacin es bastante mayor que cuando

    las fases no estn emulsionadas. Un ejemplo de emulsin inestable es la que se tiene

    cuando se toma una muestra de crudo liviano, parafnico, y agua pura; despus de una

    agitacin fuerte se puede observar el agua dispersa en el petrleo, pero si se deja un tiempo

    en reposo el agua se vuelve a segregar y se va al fondo. Cundo se toma una muestra de

    crudo naftnico, pesado y agua salada tambin se forma una emulsin luego de agitar

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    fuertemente ambas fases en contacto; pero una vez obtenida la emulsin si sta se deja en

    reposo se observa que al pasar el tiempo las fases no se separan. A pesar de que en ambos

    casos las fases son de la misma naturaleza, son inmiscibles y hubo agitacin, en el primer

    caso se obtuvo una emulsin inestable y en el segundo caso una emulsin estable;

    posiblemente en el crudo pesado o en el agua salada haya algn elemento que ayude a que

    la emulsin no se rompa.

    De acuerdo a la facilidad para romperlas 1. Flojas 2. Duras

    Una emulsin estable es floja cuando se puede romper con un tratamiento sencillo y es dura

    cuando requiere de un proceso ms complicado para romperla.

    De acuerdo a su naturaleza 1. Normales 2. Inversas 3. Duales

    Una emulsin normal es aquella en la cual la fase contnua es el aceite y la dispersa es el

    agua; la fraccin de agua en la emulsin puede estar entre 10 y 35%. Se llama emulsin

    normal porque es la de mayor ocurrencia; aproximadamente el 99% de las emulsiones

    presentes en los campos de petrleo son normales (6)

    . Una emulsin es inversa cuando la

    fase dispersa es el petrleo y la continua es el agua; se le llama invertida porque son raras.

    Una emulsin dual normalmente es aquella en la cual fase dispersa es una emulsin de

    petrleo en agua y la continua es petrleo.

    Las emulsiones duales e inversas son las ms difciles de romper y generalmente para ellos

    requieren tratamientos especiales (6)

    .

    4.2. Teoras sobre la formacin de emulsiones (6)

    .

    Con varias teoras diferentes se ha tratado de explicar la formacin de emulsiones estables,

    es decir, el hecho de que dos lquidos inmiscibles y de diferente gravedad especfica se

    dispersen o formen una mezcla ntima estable. Sin embargo algunas de ellas no permiten

    explicar por s solas la gran estabilidad de ciertas emulsiones.

    4.2.1. Teora Coloidal.

    Explica el proceso de emulsificacin relacionndolo con la qumica coloidal. Los coloides

    son sustancias que permanecen en suspensin en los lquidos siguiendo aparentemente

    leyes fsicas peculiares que le dan caractersticas muy diferentes a las sustancias no

    coloidales. Por ejemplo, ciertas arcillas, sustancias coloidales, permanecen suspendidas en

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    el agua por mucho tiempo despus de un periodo de agitacin que asegure suficiente

    dispersin de las partculas de arcilla. Se cree que las pequeas gotas de agua suspendidas

    en una emulsin agua en aceite estn influenciadas por las mismas leyes fsicas que

    controlan la suspensin de arcilla en agua.

    4.2.2. Teora de la Tensin Interfacial.

    Explica las propiedades peculiares de las emulsiones por su relacin con los fenmenos de

    la tensin interfacial. Las relaciones de tensin interfacial permiten explicar la oclusin de

    un glbulo de lquido dentro de otro, debido a que el lquido de tensin superficial mayor

    (agua) asume una forma convexa, originando glbulos esfricos o esferoidales, y tiende a

    presentar la menor superficial al segundo lquido (aceite). Sin embargo, si la tensin

    interfacial es alta, por ejemplo entre aceite y agua pura, la emulsificacin se dificulta

    porque el aceite tiende a extenderse sobre la superficie del agua formando una capa

    delgada. En este caso la tensin interfacial se puede reducir lo suficiente para facilitar la

    formacin de emulsiones agregando el agua ciertas sales solubles (carbonato de sodio,

    sulfato de aluminio, etc.); por el contrario, si la tensin interfacial se aumenta agregando el

    agua cloruros solubles, la emulsificacin se dificulta mucho ms.

    4.2.3. Teora del Agente Emulsificante. Las teoras anteriores permiten explicar la formacin de emulsiones pero no explican

    porqu las gotas dispersas no se unen al ponerse en contacto, ni la persistencia de algunas

    emulsiones. La teora del agente emulsificante es la ms aceptada universalmente, y explica

    la repulsin de las gotas dispersas a unirse debida a que estn recubiertas por una sustancia

    denominada agente emulsificante, concentrado y retenido en la interfase por el proceso

    fsico denominado adsorcin. El tipo de emulsin que se forme, normal o invertida,

    depende de las caractersticas del agente emulsificante y su relacin con los dos lquidos de

    acuerdo con las siguientes normas sencillas:

    El lquido que humecta preferencialmente al agente emulsificante ser la fase continua de la emulsin, y

    Para agentes emulsificantes solubles, el lquido experimentalmente, puede ser de tres maneras:

    La accin del emulsificante, se ha encontrado experimentalmente, puede ser de tres

    maneras:

    Creando cargas repulsivas sobre la superficie de las gotas de la fase dispersa.

    Formando una pelcula delgada que rodea las gotas de la fase dispersa y evita que las gotas se unan.

    Depositndose como polvo fino sobre las gotas de la fase dispersa.

    De acuerdo con la teora del agente emulsificante, para que se presente una emulsin

    estable se requiere lo siguiente:

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    Presencia de dos fases inmiscibles

    Agitacin fuerte

    Presencia de un agente surfactante (emulsificante) el cual el responsable de la estabilizacin de la emulsin.

    En el caso de un yacimiento cuando la saturacin de agua es mayor que la crtica, se

    presenta flujo simultneo de agua y aceite, o sea que se tiene la presencia de las dos fases

    inmiscibles; la agitacin tambin se tiene debido al flujo a travs de la formacin pero

    principalmente al salir al fondo del pozo donde se presenta una zona de alta turbulencia y al

    fluir a travs del pozo y la lnea de superficie donde va encontrar una serie de restricciones;

    la presencia del agente emulsificante se puede explicar por la presencia de algunos

    contaminantes en el petrleo o en le agua que pueden actuar como surfactantes. Parece que

    es ms comn encontrar surfactantes en los crudos naftnicos y pesados que en los

    parafnicos, y esto podra explicar el por qu la formacin que se forma al agitar una

    mezcla de agua y crudo parafnico no es estable mientras que si lo es la de salmuera y crudo

    naftnico.

    La interaccin entre el agente emulsificante y las fases lquidas componentes de la

    emulsin determina, en alto grado el tipo de emulsin que se va a formar, especialmente en

    si la emulsin es normal invertida; de acuerdo a la teora del agente emulsificante si ste es

    soluble en el petrleo la emulsin ser normal y si es soluble en el agua, ser invertida.

    Emulsificantes solubles en aceite son sustancias asflticas. Y sustancias resinosas, cidos

    orgnicos solubles en aceite, arcilla saturada de aceite y otros; emulsificantes solubles en

    agua son arcilla, slice, jabones de sodio y sales metlicas (sulfatos de hierro, aluminio y

    Zinc, sulfuro de Zinc).

    4.3. Factores que afectan la formacin de emulsiones (6)

    Existe una serie de factores que pueden aumentar o disminuir la posibilidad de que se

    formen emulsiones y/o afectar las caractersticas de la emulsin formada. Entre estos

    factores es pueden mencionar:

    Porcentaje y salinidad del agua. El agua y el aceite pueden emulsionarse en porciones muy variables, pero para cada petrleo crudo existe un porcentaje especfico, de agua

    que ocasiona mxima emulsificacin. La salinidad afecta la tensin interfacial entre las

    fases y entre el emulsificante y las fases; se ha encontrado que los cloruros solubles

    aumentan la tensin interfacial dificultando la emulsificacin.

    Caractersticas del crudo. El tipo de crudo, la viscosidad, densidad y tensin superficial son las caractersticas del crudo que mayor influencia tienen sobre la tendencia a formar

    emulsiones. Los crudos naftnicos muestran mayor tendencia a formar emulsiones que

    los parafnicos. Al aumentar la viscosidad y la densidad de los crudos aumentan la

    tendencia a formar emulsiones. En cuanto a la tensin superficial, parece que es un

    factor importante, ya que al aumentar su valor la facilidad de emulsificacin tambin

    aumenta.

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    Presencia de gas o aire. Las emulsiones se forman ms fcil y ms rpidamente, y de una estabilidad mayor, cuando el gas natural o el aire se mezclan ntimamente con el

    aceite y el agua. Esto se explica por la mayor velocidad de flujo, la igual que mayor

    turbulencia y agitacin lo cual propicia una mezcla ms ntima de los fluidos. Adems

    el oxgeno del aire puede ocasionar en el crudo la formacin de asfaltos que son

    sustancias emulsificantes.

    Tipo y cantidad de emulsificante. Hay unos emulsificantes que pueden ser ms efectivos que otros y adems el grado de emulsificacin puede depender de la cantidad

    de emulsificante. Por otra parte el tipo de emulsificante puede definir que la emulsin

    sea normal o invertida.

    Tiempo. El tiempo de contacto de las fases puede ayudar a la formacin de emulsiones especialmente si durante el tiempo de contacto hay agitacin continua.

    Mtodo de produccin. En el levantamiento artificial se presenta agitacin extra que no ocurre en el flujo natural, especialmente cuando se tiene bombeo con varillas o bombeo

    neumtico, y esto favorece an ms la formacin de emulsiones; el efecto es quizs

    mayor en el caso del bombeo neumtico pues la inyeccin de gas y de por s crea

    turbulencia y adems ya se vio que la presencia de gas favorece la formacin de

    emulsiones.

    4.4. Tratamiento de emulsiones

    Tratar una emulsin significa someterla a algn tratamiento con el fin de separar sus fases

    (es decir con el fin de romperla). Las emulsiones que se someten a tratamiento son

    generalmente las emulsiones estables pues ya se vio que las inestables si se dejan un

    determinado tiempo en esposo la separacin de fases se presenta por simple segregacin;

    aunque algunas veces el tiempo que se deben dejar en reposo puede ser largo y para

    acelerar la separacin se le hace a las emulsiones inestables algn tratamiento sencillo. El

    tratamiento al que se debe someter una emulsin depende de las caractersticas de sta, si es

    dura o floja, grande de emulsificacin, tipo de emulsificante y, muchas veces, de la

    disponibilidad de equipo y/o materiales.

    En el tratamiento de emulsiones se busca neutralizar de alguna manera la accin del agente

    emulsificante por ejemplo, venciendo las fuerzas repulsivas que impiden que las gotas de la

    fase dispersa se unan o destruyendo la pelcula adherida a las gotas de la fase dispersa.

    El tratamiento de una emulsin es un proceso que involucra normalmente, los siguientes

    pasos:

    Caracterizacin de la emulsin.

    Inyeccin de qumico

    Separacin de agua y gas libres

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    Calentamiento

    Coalescencia y filtracin

    Asentamiento

    La caracterizacin de la emulsin es fundamental porque de ello depende en gran parte el

    tratamiento que se le haga a la emulsin. Los dems pasos comprenden el proceso de

    tratamiento propiamente dicho y no siempre es necesario aplicarlos todos, dependiendo del

    tipo de emulsin.

    Las caractersticas ms importantes que se deben tener en cuenta para caracterizar la

    emulsin son:

    Tamao de las partculas.

    Tipo de emulsin.

    Resistencia de la pelcula de emulsificante.

    Diferencia de densidades.

    Viscosidad de la fase contnua.

    Porcentaje de fases.

    Respuesta a diferentes mtodos de tratamiento.

    4.5. Inyeccin de qumico

    Consiste en agregar a la emulsin ciertas sustancias qumicas, llamadas desemulsificantes,

    las cuales atacan la sustancia emulsificante y neutralizan su efecto para promover la

    formacin de la emulsin. La accin del desemulsificante se ha tratado de explicar de

    varias maneras (4)

    . Una dice que el desemulsificante es una sustancia que trata de formar

    una emulsin inversa a la existente bien sea afectando la tensin interfacial o presentando

    una tendencia de humectabilidad opuesta a la que muestra el emulsificante, al haber

    tendencia a formar emulsin de agua en aceite y a la vez de aceite en agua ambas

    tendencias se neutralizan y las fases se separan. Una segunda explicacin de la accin del

    agente desemulsificante es que ste acta sobre la pelcula que cubre las gotas de fase

    dispersa debilitndola y al hacerlo las gotas se pueden unir lo cual lleva finalmente a que

    las fases se separen. Finalmente, se puede pensar que la accin del agente desemulsificante

    consiste en neutralizar las cargas elctricas presentes en la superficie de las gotas de la fase

    dispersa que son las que impiden que stas se unan.

    El xito en el rompimiento de una emulsin por tratamiento qumico consiste en

    seleccionar el desemulsificante apropiado y usarla en la proporcin adecuada. Existen en le

    mercado gran variedad de desemulsificantes muchos de los cuales son el mismo compuesto

    qumico pero con diferente nombre comercial dependiendo de la casa fabricante.

    La mayora de los desemulsificante son solubles en agua, y algunos en petrleo y sus

    derivados; para aplicarlos se pueden utilizar puros o disueltos en agua, crudo, gasolina o

    querosene.

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    La seleccin del desemulsificante y la cantidad adecuada de ste se realiza mediante una

    serie de pruebas en el laboratorio conocidas en conjunto como prueba de botella (4), con las

    cuales se analizan diferentes productos a diferentes concentraciones cada uno y se

    selecciona el que d mejores resultados de rompimiento de la emulsin y la concentracin

    ptima de ste.

    Para realizar la prueba de botella es importante tener en cuenta la forma como se toma la

    muestra de emulsin y la forma como se agrega el desemulsificante.

    En cuanto a la muestra sta debe ser lo ms representativa y reciente posible y someterse a

    unas condiciones de agitacin semejante a las reales.

    La figura 4.1 muestra frmulas estructurales tpicas de desemulsificantes . En trminos

    generales el desemulsificante es una base tipo amina o hidrocarburo la cual se modifica con

    la adicin del elemento activo; dependiendo de la base y del elemento activo y de la forma

    como este se agregue se tendrn diferentes tipos de desemulsificantes. La referencia 7 es un

    buen trabajo sobre el estudio de la qumica de los desemulsificantes y la forma como estos

    se pueden obtener de acuerdo con las caractersticas de la produccin que se quiere tratar.

    Figura 4.1. Frmulas estructurales Tpicas de Desemulsificantes.

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    En cuanto a la forma de usar el desemulsificante, este en la prueba de botella se usa diluido

    aunque no es recomendable por dos razones en primer lugar porque en la prctica se usa

    puro y en segundo lugar porque el solvente usado puede afectar la emulsin.

    El sitio de aplicacin depende principalmente de las caractersticas de la emulsin y al

    elegirlo se debe tener presente:

    - Se necesita agitacin para que el desemulsificante se pueda mezclar ntimamente con la emulsin aunque la agitacin no debe ser excesiva porque puede ocurrir que se presente

    la separacin de fases y una nueva emulsificacin.

    - Si hay mucho agua libre es recomendable retirarla antes de agregar el desemulsificante porque como casi siempre ste es soluble en agua, parte se puede disolver en agua libre

    y disminuir el porcentaje que acte para ayudar a romper la emulsin.

    - Mientras mayor sea el tiempo de agitacin mayor podr ser el grado de emulsificacin y por tanto para emulsiones muy duras una forma de acelerar la separacin de fases sera

    agregando el desemulsificante tan pronto como se pueda.

    - A mayor temperatura mejor ser el efecto del desemulsificante y la temperatura disminuye desde el fondo del pozo hacia el separador.

    Teniendo en cuenta los aspectos anteriores se puede pensar que un sitio apropiado para

    agregar el desemulsificante sera en la lnea de superficie lo ms cerca posible de la cabeza

    del pozo; si se trata de pozos con mucho agua libre se debe agregar en un punto despus de

    que sta haya sido retirada de la mezcla, y cuando se trata de emulsiones muy duras se

    podra mejorar la separacin agregando el surfactante en el fondo del pozo; algunas veces

    se puede agregar desemulsificantes en los tanques pero esto normalmente ocurre cuando el

    tratamiento no ha dado buenos resultados y el crudo ha pasado con bastante agua a los

    tanques; un sitio bastante usado para agregar el desemulsificante es el mltiple.

    El equipo de inyeccin es una bomba pequea que puede ser operada por gas a presin, aire

    o elctricamente; la bomba est conectada al depsito del qumico de donde lo succiona y

    lo descarga a la presin requerida para poderlo inyectar a la lnea de la emulsin. La rata

    de inyeccin se puede ajustar para inyectar la cantidad adecuada y as evitar el desperdicio

    de surfactante, lo cual es importante ya que es bastante costoso.

    Algunas veces para garantizar una mezcla ntima entre el desemulsificante y la emulsin,

    especialmente cuando se prevea que no hay buena agitacin a partir del punto se agrega el

    desemulsificante, se usa un dispositivo conocido como mezclador (Mixer) el cual ofrece

    restricciones al flujo y de esa manera genera turbulencia.

    La figura 4.2 muestra dos opciones para inyectar el desemulsificante. En la parte superior

    se tiene el esquema en el cual el desemulsificante se agrega en la cabeza del pozo, esta

    opcin tiene la ventaja que reduce el tiempo de agitacin de la emulsin y aprovecha la

    agitacin desde la cabeza del pozo hasta la estacin d tratamiento y recoleccin para

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    dispersarlo en la emulsin, pero tiene la desventaja de que se necesita un equipo de

    inyeccin para cada pozo. La parte inferior muestra el esquema de un sistema en el cual la

    inyeccin se hace despus del separador, en este caso la emulsin tiene ms tiempo de

    agitacin antes de iniciar el tratamiento y el emulsificante menos posibilidades de agitacin

    despus de su inyeccin; en este caso posiblemente sea necesario la instalacin del

    dispositivo mezclador o mixer; la ventaja de esta instalacin es que solo se necesita un

    sistema de inyeccin del desemulsificante para todos los pozos cuya produccin maneja el

    separador.

    Figura 4.2. Opciones para Inyeccin del Desemulsificante

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    La inyeccin de desemulsificante se puede hace continua o por baches, siendo el primer

    mtodo el ms acostumbrado. La inyeccin por baches no es muy recomendada porque no

    hay suficiente agitacin, no se puede garantizar unaconcentracin uniforme y se puede

    presentar desperdicio del qumico en caso de que las densidades de ste y la emulsin sean

    bastante diferentes y se pueda presentar fcilmente segregacin. Hay, sin embargo, algunas

    situaciones en las cuales se necesita aplicar la inyeccin por baches por ejemplo, cuando se

    encuentra en el tanque de almacenamiento an agua emulsionada o cuando la produccin es

    tan baja que no amerita inyeccin continua.

    Finalmente, algunos aspectos adicionales que se deben tener en cuenta en la inyeccin de

    qumico seran:

    - Aunque en un momento determinado se haya encontrado un buen desemulsificante es importante hacer chequeos peridicos, pues las caractersticas de la emulsin y del

    mismo desemulsificante cambian con el tiempo.

    - En general, mientras mayor sea la temperatura menor es el requerimiento de desemulsificante pero el ahorro que se pueda tener puede ser inferior a las prdidas que

    implica calentar demasiado el crudo.

    - No hay una relacin clara entre la efectividad de un desemulsificante y le tiempo de asentamiento requerido, muchas veces se puede encontrar crudo con agua libre en el

    tanque de almacenamiento lo cual quiere decir que el desemulsificante es efectivo pero

    hace falta tiempo de asentamiento. Si ocurre eso se puede usar un desemulsificante de

    accin ms rpida o calentar, si no son muy altas las prdidas por evaporacin, la

    emulsin lo cual puede ayudar a la separacin al disminuir la densidad de la fase externa

    (petrleo).

    Las principales ventajas del tratamiento qumico son:

    - Bajo costo de instalacin y operacin. - Proceso y equipo sencillo - Verstil. Se puede aplicar a procesos en grande y pequea escala. - La calidad del crudo no se altera - Separacin rpida y afectiva

    4.6. Calentadores

    El calentamiento de la emulsin se realiza en recipientes conocidas como calentadores o

    tratadores. El aplicar temperatura a la emulsin tiene los siguientes efectos, entre otros:

    - Debilitar la pelcula de emulsificante.

    - Aumentar el movimiento Browniano de las partculas de la fase dispersa, lo cual implica mayor nmero de choques incrementando la posibilidad de unin.

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    - Disminuye la viscosidad de la fase continua y, si sta es aceite, la densidad lo cual implica una disminucin en la capacidad para mantener en suspensin las gotas de agua.

    En el calentador la mezcla entra fra y sale caliente hacia un recipiente donde se le permite

    estar en reposo para que las fases se separen; en el calentador existe rompimiento de la

    emulsin pero no separacin de fases. Es decir en el calentador no se realiza la

    coalescencia ni el asentamiento.

    Los calentadores pueden ser directos o indirectos, el primer caso el calor para calentar la

    emulsin es generado con el mismo recipiente y se hace un calentamiento directo; en el

    segundo caso el calor o no es generado en el calentador o s es generado en ste pero el

    calentamiento no es directo si no que es a travs de un fluido que sirve como medio de

    transporte para el calor.

    El calentador que se muestra en la figura 4.3 es un calentador directo; se conoce como

    tubular porque el fluido va a travs del serpentn el cual est rodeado por la llamada

    producida por los quemadores y los gases producidos por la combustin que tratan de salir

    por la chimenea. Estos calentadores generalmente trabajan con gas como combustible pero

    tambin pueden trabajar con combustible lquido. El serpentn mientras mayor nmero de

    vueltas tenga mayor cantidad de calor se podr transmitir al fluido porque el rea de

    contacto es mayor. Al entrar la mezcla fra por la parte superior el calentamiento y la

    transferencia de calor se hace progresivamente.

    Figura 4.3. Esquema de un Calentador Directo Tubular

    El calentador directo pirotubular es un tipo bastante usado y de l se hablar en detalle ms

    adelante.

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    La figura 4.4 muestra un calentador indirecto; en este caso el calentamiento se hace por

    medio de un fluido caliente, es decir este tipo de calentador es un intercambiador de calor.

    El fluido que se va a calentar va a travs de los tubos internos del calentador los cuales

    estn rodeados por el fluido de calentamiento el cual puede ser un lquido caliente o, lo ms

    comn, vapor de agua. Al salir el fluido de calentamiento del calentador es llevado al sitio

    donde se le aplica calor para calentador y recircularlo nuevamente al intercambiador

    (calentador). Un calentador indirecto, dependiendo del tamao, puede manejar cantidades

    grandes de fluido pero el calentamiento no es tan eficiente y adems hay ms oportunidad

    de prdidas de calor.

    Figura 4.4. Esquema de un Calentador Indirecto.

    De acuerdo con la direccin de flujo de los fluidos de calentamiento y a calentar se habla de

    intercambiadores, o calentadores, de coflujo y de contraflujo; en el primer caso ambos

    fluidos fluyen en la misma direccin y en el segundo caso fluyen en direccin contraria.

    Suponiendo un intercambiador conformado por dos tubos concntricos los casos de coflujo

    y contraflujo se representaran grficamente de la siguiente manera. El fluido caliente va

    por el anular y entra a una temperatura T1 y sale a una temperatura T3 y el fluido frio entra

    por el mismo extremo que lo hace el fluido caliente a una temperatura T2 y sale a una

    temperatura T4. El comportamiento de la temperatura para los dos fluidos es diferente tal

    como se muestra en las figuras 4.5 y 4.6.

    Observando el comportamiento de la temperatura en los dos casos se ve que los valores de

    T1 y T2 son diferentes para los dos casos lo cual hace que T promedio para cada caso

    sea diferente. Como el comportamiento de la temperatura no es lineal se recomienda

    calcular el T promedio aplicando un promedio logartmico, conocido como LMTD

    (Logaritmic Mean Temperature Delta), usando la siguiente expresin:

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    21

    1 2

    T TLMTD ( F)

    ln T / T

    (4.1)

    Figura 4.5. Comportamiento de la Temperatura en un Intercambiador (calentador) de Coflujo

    Figura 4.6. Comportamiento de la Temperatura en un Intercambiador (Calentador) de Contraflujo.

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    donde T1 y T2 son las diferencias mxima y mnima, respectivamente, que se presentan

    entre la temperatura del fluido caliente y la temperatura del fluido fro.

    El valor de LMTD es fundamental para aplicar la ecuacin

    Q U A T (4.2)

    Con la cual se puede calcular el rea de transferencia de calor requerida para transferir una

    cantidad Q de calor en un proceso donde el coeficiente global de transferencia de calor es U

    y la diferencia promedia en el proceso entre la temperatura del fluido caliente y el fluido a

    calentar es T (en este caso LMTD)

    De acuerdo con la ecuacin (4.2) a mayor valor de LMTD menor requerimiento de rea

    para transferir una cantidad dada de calor. Parece que normalmente cuando se tiene

    contraflujo se obtiene mayor LMTD para una temperatura de entrada del fluido de

    calentamiento y del fluido a calentar dadas y por tanto en este caso habr ms eficiencia en

    la transferencia de calor.

    4.6.1. Calentadores Directos Pirotubulares.

    La figura 4.7 muestra un esquema de un calentador directo pirotubular, llamado as porque

    el calor se genera en un tubo interno del calentador conocido como tubo de combustin, y

    la mezcla que se va a calentar rodea el tubo. Generalmente es horizontal.

    El calentador funciona de la siguiente manera: el fluido fro entra por la parte inferior

    derecha del calentador y sale por la parte superior derecha; mientras sale, el fluido est

    rodeado el tubo de combustin el cual le transmite calor para que cuando salga est

    caliente. La combustin se inicia en el extremo derecho del tubo de combustin conocido

    como hogar o quemadero, all se produce una llama que avanza hacia adelante por dentro

    del tubo y los gases producidos en la combustin seguirn por el tubo hasta salir por la

    chimenea; el tubo debe estar siempre completamente cubierto por fluido y el calor se

    transmite desde el interior del tubo a travs de los gases de la combustin y de la pared del

    mismo hacia el fluido que se desea calentar.

    La figura 4.8 muestra un poco ms en detalle el quemadero del calentador; al hogar llegan

    dos lneas de combustible una para el quemador principal y otra para el piloto, la lnea del

    quemador principal termina en una especie de boquilla a donde tambin llega una corriente

    de aire que se encargar de atomizar la mezcla de aire - combustible y de hacerla avanzar

    hacia delante en el tubo; la lnea del piloto se mezcla con el aire que puede entrar al hogar y

    de esta manera se forma la mezcla combustible la cual slo requiere de una chispa que dar

    inicio a la combustin; la chispa se puede producir por una buja o puede ser un mechn

    encendido que se acerca manualmente al piloto. Una vez iniciada la combustin sta se

    propaga porque en el mechero principal se est produciendo la mezcla combustible -

    oxgeno.

  • 76

    Figura 4.7. Calentador Directo Pirotubular

    Figura 4.8. Esquema del Quemadero de un Calentador Directo Protubular.

    La figura 4.9 muestra un esquema de un calentador con modificaciones con respecto a las

    figuras 4.7 y 4.8. El gas combustible se hace pasar por un serpentn dentro del calentador

    para aplicarle un poco de calor y luego antes de llegar al quemadero se hace pasar por el

    despojador (Scrubber) para retirarle lo que pueda tener de humedad; despus de salir del

    despojador pasa por un regulador de presin porque el gas debe llegar al quemador

    principal y al piloto a una presin dada. El control de temperatura se utiliza para regular el

    paso del combustible hacia el quemador principal de acuerdo con la temperatura del fluido,

    de este control se hablar ms adelante. Finalmente ntese que el calentador la combustin

    ocurre dentro de un tubo interno al tubo de combustin; esto se hace para protegerlo del

    contacto con la llama que puede llegar a afectar el tubo de combustin.

  • 77

    Algunos calentadores poseen antes del quemadero un dispositivo de seguridad conocido

    como atrapallamas cuya funcin es impedir que la llama que se origina en el quemadero

    salga del calentador y ocasione un incendio en el campo.

    Figura 4.9. Calentador Directo Pirotubular con sus Sistemas de Control y de Tratamiento para el Gas

    Combustible.

    4.6.1.1. Aspectos Importantes en el Funcionamiento del Calentador.

    El funcionamiento de un calentador es simple pero existen algunos aspectos que se deben

    tener muy en cuenta para asegurar un uso adecuado del combustible, un calentamiento

    apropiado del fluido y evitar fallas en el equipo o accidentes.

    El nivel de fluido se debe chequear continuamente en el calentador porque siempre debe

    estar por encima del tubo de combustin, ya que de lo contrario ste se puede fundir. El

    calentador posee un dispositivo de seguridad que lo apaga cuando el nivel del fluido ha

    bajado a un cierto valor.

    La temperatura del lquido exige un chequeo permanente porque si sta es muy baja,

    posiblemente no se alcance a romper la emulsin y si es muy alta se pueden afectar las

    propiedades fsicas del crudo. El calentador automticamente se apaga cuando la

    temperatura del lquido sube a un determinado valor.

    El aire que entra al calentador debe ser controlado porque puede ser usado en exceso o den

    defecto y en ambos casos se tendr desperdicio de combustible; cuando entra poco aire el

    combustible no alcanza a quemarse todo y stos se puede notar porque por la chimenea

  • 78

    salen gases de aspecto oscuro o en tubo de calentamiento se deposita coque (material slido

    como residuo de la combustin). El calentador posee un orificio en el extremo exterior del

    quemadero por donde se puede observar el color de la llama, si ste es azul indica que est

    entrando aire en la cantidad adecuada para mezclarse con el combustible y, cuando la llama

    es de color amarillo o rojizo es un indicio de que hay exceso o deficiencia de aire y se debe

    chequear disminuyendo o aumentando la entrada de aire.

    Algunas veces puede ocurrir que a pesar que la cantidad de calor que se est produciendo es

    suficiente para calentar el lquido ste no sale tan caliente como se desea, lo cual indica

    deficiencias en la transmisin de calor. Como el calor se transmite desde dentro del tubo de

    combustin hacia fuera a travs de los gases de la combustin y de la pared del tubo, si en

    sta ltima se presentan zonas refractarias el calor encuentra dificultad para pasar el fluido

    que debe calentar; tales zonas con poca capacidad para transmitir calor se pueden originar

    por depositacin de coque en el interior del tubo de combustin o de escamas en la pared

    exterior del mismo. La depositacin de coque puede ser debida a una insuficiencia en la

    combustin, porque est entrando mucho combustible o poco are o porque, cuando el

    combustible es gas, ste entra hmedo y la fraccin lquida no alcanza a quemarse; si esta

    situacin se presenta se puede remediar revisando las entradas de combustible y aire o

    calentando el gas que sirve de combustible y/o hacindolo pasar por un despojador

    (Scrubber), ver figura 18. La depositacin de escamas se puede deben a que en el fluido

    que se va a calentar hay presencia de elementos corrosivos o a depositacin de sales

    disueltas en el agua de la emulsin; la solucin a esto sera agregar inhibridores de

    corrosin o compuestos qumicos que impidan la depositacin de sales disueltas en el agua.

    La deficiencia en la transmisin de calor se puede detectar observando que la temperatura

    de los gases que salen por la chimenea es bastante alta o porque la temperatura a la que sale

    el fluido es bastante baja. El calentador posee un dispositivo que lo pone fuera de servicio

    por temperatura alta en la chimenea.

    Las tasas y las presiones a las que entran el combustible y el aire son tambin importante

    pues por una parte ya vimos el efecto de no usar las tasas apropiadas de combustible y aire,

    y las presiones pueden afectar la posicin de la llama, y sta debe estar lo ms centrada

    posible y evitar que se acerque a las paredes del tubo de combustin porque puede llegar a

    fundirlo.

    Para tener una idea de la proporcin en que se deben mezclar el combustible, suponiendo

    sea gas, y el aire observemos la siguiente ecuacin para la combustin del metano:

    4 2 2 V 2 VCH 2O 2H O CO calor (4.3)

    donde, como se ve por cada volumen de metano se requieren dos volmenes de oxgeno

    para que haya una combustin completa.

    Como el oxgeno se encuentra en el aire, el 20% del aire es oxgeno, se necesitan 10

    volmenes de aire para tener dos volmenes de oxgeno, o sea que por cada volumen de

    metano se requieren diez volmenes de aire.

  • 79

    En el caso del etano, la reaccin se presenta segn la siguiente ecuacin:

    2 6 2 2 V 2 V2C H 7O 6H O 4CO calor (4.4)

    y en este caso para quemar dos volmenes de etano se requieren 35 volmenes de aire.

    En cuanto al calor producido en la combustin, ste es del orden de unos 1000 BTU por

    cada cbico normal de gas.

    4.6.1.2. Dispositivos de Seguridad del Calentador.

    Son mecanismos de control que posee el calentador y los cuales hacen que ste se apague

    cuando se presentan variaciones indeseables en algunas de las variables de operacin. Los

    ms comunes son:

    - Por temperatura alta de lquido (figura 4.8a). Es un mecanismo que acta cuando la temperatura del lquido est de unos 10 a 18F por encima de la temperatura de

    operacin, abriendo al aire una vlvula de tres vas que est ubicada en la lnea de

    presin que conecta el controlador de temperatura con la vlvula de control de

    combustible al mechero principal, la cual al no tener presin en la lnea de suministro de

    presin se cierra y hace que se apague el quemador principal.

    - Por bajo nivel de fluido (Figura 4.8b). El dispositivo es un flotador que se localiza cerca la parte superior del tubo de calentamiento y cuando el fluido no cubra completamente el

    tubo de combustin har que se abra el aire una vlvula de tres vas que se halla en la

    lnea de suministro de gas a los instrumentos de control y que conecta con una vlvula

    de bloqueo, la cual se cerrar y bloquear el paso de combustible el quemadero.

    - Por temperatura alta en la chimenea (figura 4.9a). Cuando la temperatura en la chimenea es alta accionar un interruptor que abre una vlvula de tres vas a la atmsfera

    y descarga la lnea de suministro de gas a los instrumentos; esto har que la presin

    sobre le diafragma de la vlvula de bloqueo en la lnea de combustible caiga a cero y la

    vlvula se cierre.

    Los dispositivos de seguridad tienen como funcin proteger el equipo y el personal; se

    recomienda su operacin intencional peridicamente (cada unos tres meses) para chequear

    posibles fallas.

    4.6.1.3. Procedimiento de Puesta en Marcha (Figura 4.10).

    Los siguientes son los pasos para poner en funcionamiento el calentador.

    - Llene el recipiente hasta tapar el tubo de combustin o si el calentador est lleno verifique el nivel de fluido.

    - Cierre las vlvulas en las lneas de combustible a los quemaderos principal y piloto.

    - Abra la vlvula en la lnea de combustible antes del regulador de presin.

  • 80

    - Ajuste el regulador de presin de acuerdo con las instrucciones de fabricante del equipo. La presin es normalmente de 15-30 psi (103.6-207.2 kPa).

    - - Abra la vlvula en el piloto y encindalo

    - Coloque el control de temperatura, u otro dispositivo que regule el funcionamiento, en servicio. Este dispositivo controla la vlvula de control; al instalarlo la vlvula de

    control de temperatura si cierra la vlvula de control de combustible.

    Figura 4.8. Dispositivos de Seguridad en un Calentador. a) Por Temperatura Alta de Lquido.

    b) Por bajo Nivel de Lquido.

  • 81

    Figura 4.9. Dispositivos de Seguridad en un Calentador. a) Por temperatura Alta en la Chimenea. b) Por

    Presiones Altas o Bajas del Combustible.

    Figura 4.10. Pasos para Poner en Funcionamiento un Calentador.

  • 82

    4.6.1.4. Procedimiento de Puesta Fuera de Operacin (apagada).

    Cierre la vlvula en la lnea de combustibles antes del regulador de presin y deje que el

    combustible en la lnea despus del regulador se consuma completamente.

    Cuando se apague la llama, cierre las vlvulas en las lneas al piloto y al quemador

    principal.

    4.6.1.5. Operaciones de rutina

    - Chequear si el control de temperatura, u otro, estn operando la vlvula de control dentro de los lmites permisibles.

    - Observar que el tubo de combustin est sumergido totalmente en el lquido. - Observar la llama (forma y color) y ajustar la entrada de aire si es necesario. - Accionar los dispositivos de seguridad con periodicidad para ver si funcionan

    adecuadamente.

    - Chequear que no hay escapes en el sistema de combustible. - Chequear que los gases que salen por la chimenea no tengan aspecto de humo. - Inspeccionar, por el orificio de observacin que no haya puntos calientes en el tubo de

    combustin.

    En los calentadores directos tambin se puede hablar de coflujo y contraflujo; el calentador

    ser de coflujo cuando el fluido fro entra al calentador por la zona donde est el quemadero

    y ser de contraflujo cuando el fluido fro entra por la zona por donde salen los gases de la

    combustin.

    4.7. Transferencia de Calor en Calentadores e Intercambiadores.

    La transferencia de calor hacia el fluido a calentar en los intercambiadores o calentadores es

    a travs de una combinacin de los mecanismos de transferencia por conduccin, radiacin

    y conveccin. El captulo 2 de la referencia 1, trata un poco ms en detalle el anlisis de

    estos mecanismos de transferencia de calor y en esta seccin solo se presentarn las

    ecuaciones bsicas que describen cada uno de estos mecanismos.

    Mecanismos de Transferencia de Calor

    Conduccin

    K

    T TQ KA

    L R

    (4.5)

    Donde:

  • 83

    K, conductividad trmica, watts/m/C.

    A, rea perpendicular al flujo de calor, m2.

    L, longitud a lo largo de la cual se presenta el flujo de calor, m.

    RK = Resistencia ConductivaL

    KA , C/Watt

    Cuando la conduccin de calor es atravs de la pared de un tubo

    h L h Li

    e e Ki

    i i

    T T T T TQ K2 r L

    r r Rln r ln / 2 KL

    r r

    (4.6)

    donde

    e

    iK

    rln

    rR

    2 KL

    re y ri radio exterior e interior respectivamente del tubo y L longitud del tubo.

    Conveccin

    C W ac C

    T TQ h A T T

    1/ h A R

    (4.7)

    hC = Coeficiente Convectivo, watts/m2/C

    RC = Resistencia Convectivac

    1

    h A , C/watts

    Radiacin

    4 41 1 1 1 2 r 1 1 2r

    TQ A T T h A T T

    R

    (4.8)

    Donde,

    A1, rea del ojeto caliente, m2

    1, emisividad del objeto caliente

    , constante de Boltzman= 5.668*10-8

    watt/m2/K

    4

    T1, temperatura del medio caliente, K

    hr = Coeficiente Radiactivo, Watts/m2/C

    Rr = Resistencia Radiactiva, C/Watt

  • 84

    4.7.1. Coeficiente Global (Total) de Transferencia de Calor. La transferencia de calor es un proceso combinado donde se pueden presentar

    simultneamente varios de los mecansmos de transferencia de calor; por esto es normal

    hablar de un coeficiente total de transferencia de calor que sera una combinacin de los

    coeficientes de transferencia de calor de cada uno de los mecansmos presentes. Q U A T (4.2)

    donde,

    Q, calor total transferido en BTU/hr.

    U, coeficiente total de transferencia de calor en BTU/hr./pie2/F.

    A, rea expuesta a la transferncia de calor en pies2.

    T, diferencia de temperatura.

    En cuanto al valor de T este puede cambiar a travs del rea sobre la que se est haciendo

    la transferencia de calor y se debe utilizar en la ecuacin (4.2) un valor promedio que se

    recomienda calcular utilizando un promedio logartmico as

    21

    1 2

    T TLMTD ( F)

    ln T / T

    (4.3)

    donde,

    T1 y T2 son los diferenciales mximo y mnimo de temperatura que se presentan a travs

    del rea donde se est presentando la transferencia de calor.

    El coeficiente total de transferencia de calor, en el caso de un intercambiador, es una

    combinacin de:

    El coeficiente de pelcula, o convectivo, interior, hCI

    La conductividad trmica, K

    El espesor del medio que separa el medio ms caliente del ms frio,L

    El coeficiente de pelcula, o convectivo, exterior, hCO

    Factores que dificultan la transferencia de calor, RI y RO .

    De acuerdo con las ecuaciones (4.2) y (4.6) (4.8) se puede escribir

    QT QR

    UA

    O sea que

    1RA

    U

    Donde A es el rea a travs de la cual se va a dar la transferencia de calor del fluido caliente

    hacia el fluido fro y R es la resistencia promedia resultante de la resistencia convectiva

    interna, Rci, la resistencia convectiva externa, Rco, la resistencia conductiva, RK y las

    resistencias Ro y Ri.

  • 85

    Como las resistencias estn en serie la resistencia promedia ser la suma de las resistencias

    y por tanto al aplicar las definiciones de resistencias convectivas y conductivas y la

    definicin de resistencia promedia se obtiene

    00 o i

    co o o ci i

    A1 1 LA R R

    U h A KA h A

    (4.9)

    0o i

    co o ci i

    A1 1 LR R

    U h A K h A

    donde, hco y hci son los coeficientes convectivos externo e interno; L y K son el espesor y la

    conductividad trmica del medio que separa los dos fluidos; Ao y Ai son las reas exterior e

    interior del medio de separacin, y Ro y Ri son las resistencias a la conductividad elctrica

    de los factores que dificultan la transferencia de calor. Es importante aclarar que se

    considera lado externo del medio de separacin el que est en contacto con el fluido mas

    caliente y el lado interno el que est en contacto con el fluido ms frio.

    Como ya se dijo, Ro y Ri son resistencias a la transferencia de calor de factores que la

    dificultan como son los depsitos de escamas, slidos, productos de corrosin, etctera y no

    es fcil cuantificarlos; para el caso de intercambiadores de calor como los que se usan en

    manejo de produccin de hidrocarburos se toma para la suma de ambos valores entre 0.002

    y 0.003 hr./pie2/F/BTU y en otras ocasiones se desprecia.

    La ecuacin (4.9) se propone para analizar la transferencia de calor entre dos fluidos, donde

    el fluido mas frio va por un tubo que est rodeado por el fluido ms caliente; este es el caso

    ms comn de intercambio de calor en manejo de produccin de hidrocarburos. Pero existe

    otro caso en el cual el fluido frio est rodeando un tubo dentro del cual se tiene una

    temperatura alta porque all se presenta un proceso de combustin y el flujo de los gases de

    la combustin; en este caso es importante el fenmeno de radiacin y ya no es aplicable la

    ecuacin (4.9) pues el calor fluye desde el interior del tubo hacia su pared interna por una

    combinacin de radiacin y conveccin y a partir de la pared interna del tubo hacia afuera,

    donde est el fluido a calentar, el flujo de calor es similar al caso planteado con la ecuacin

    (4.9).

    El coeficiente convectivo interno se puede calcular con la siguiente expresin(1)

    0,8 0,160,4

    e ei

    e ew

    Ch D DG0,022

    K K

    (2.45)

    donde, K, C y e son la conductividad trmica (BTU/hr./pie/F), capacidad calorfica

    (BTU/Lbm./F) y viscosidad del fluido frio (Lbm./hr./pie); G es el flujo msico del fluido

    frio (Lbm./hr./pie2); D es el dimetro interno de la tubera (pies), y ew es la viscosidad del

    fluido en la pared del tubo (Lbm./hr./pie). La temperatura del fluido a la cual se debe

    calcular K, e y C es la temperatura promedia entre la temperatura de entrada del fluido frio

    y la de salida del fluido ya caliente y la temperatura a la cual se debe calcular ew es el

    promedio aritmtico entre la temperatura promedia del fluido que se est calentando,

  • 86

    calculada como ya se dijo, y la temperatura de la pared interna del tubo; a su vez la

    temperatura de la pared interna del tubo es tambin el promedio aritmtico entre la

    temperatura promedia del fluido de calentamiento y el fluido que se est calentando.

    Las referencias (1) y (2) ofrecen tablas y figuras que permiten obtener las propiedades de

    fluidos y slidos que aparecen en las ecuaciones (2.44) y (2.45).

    El coeficiente convectivo externo ho depende del fluido de calentamiento y de la forma

    como se est moviendo. Para el caso de los intercambiadores usados en manejo de

    produccin, como se ver mas adelante, conocidos como de tubo y carcasa, el fluido de

    calentamiento tiene un movimiento perpendicular al tubo o los tubos por donde va el fluido

    que se est calentando; para este caso el coeficiente convectivo externo se puede calcular

    de(1)

    0,60,33

    o e mx

    e

    h D C DG0,6k

    K K

    (2.46)

    donde, C,K y e tienen el mismo significado y unidades que en la ecuacin (2.45), pero

    referidas al fluido de calentamiento; Gmx es el mximo flujo msico; D es el dimetro

    externo del tubo por el cual va el fluido que se est calentando y k es una constante cuyo

    valor est entre 0.24 y 0.33 y se puede tomar como 0.28.

    Las prdidas de calor hacia los alrededores se puede calcular tambin usando la ecuacin

    (2.42) y para obtener el coeficiente total de transferencia de calor en este caso se debe tener

    en cuenta la presencia o no de aislante. Partiendo de la pared interna del tubo que est en

    contacto con la atmsfera y suponiendo que hay capa de material aislante, la ecuacin para

    U en este caso ser

    1 2

    0 1 2

    X X1 1

    U h K K

    (2.52)

    donde X1 y X2 son los espesores de la tubera y el material aislante respectivamente (

    pies), K1 y K2 conductividades trmicas de la pared de la tubera y el aislante

    respectivamente (BTU/hr./Pie/F) y ho es el coeficiente convectivo exterior

    (BTU/hr./pie2/F) que en este caso est afectado por la velocidad del viento y en general se

    recomienda calcularlo con las siguientes expresiones(1)

    o w wh 1 0,22v v 16pies / s

    0,8o w wh 0,53v v 16pies / s

    (2.53)

    (2.53a)

    Es importante recordar que en las ecuaciones (2.44) y (2.52) no se est teniendo en cuenta

    el fenmeno de radiacin el cual se puede incluir y combinar con ho para obtener un

    coeficiente promedio hP .

  • 87

    4.7. Tratadores (Heater Treaters)

    En el calentador la mezcla agua - aceite se calienta con le fin de romper la emulsin pero en

    l no ocurre separacin de fases sino que la mezcla caliente sale del calentador y se lleva a

    un recipiente donde se deja en reposo para que se presente la separacin; generalmente la

    mezcla que llega al calentador es emulsin y en caso que haya presencia de agua libre en

    los fluidos producidos por los pozos, sta se debe retirar antes de pasar la mezcla al

    calentador. Sucede con frecuencia que el calentamiento de emulsiones se hace en

    recipientes que tambin trabajan a presin y que se conocen como tratadores; en el tratador,

    a diferencia del calentador, ocurre adems del calentamiento, la coalescencia y el

    asentamiento. La mezcla entra al tratador e inicialmente se le permite al agua libre que

    separe del aceite y la emulsin, luego de retirada el agua libre la mezcla pasa por una zona

    de calentamiento en donde, como en el caso del calentador, se aplica claro para romper la

    emulsin, y de la zona de calentamiento la mezcla pasa finalmente a una zona de

    coalescencia y asentamiento donde permanece un determinado tiempo en reposo para

    permitir que se separen las fases. Como ocurre con los calentadores, al fluido que entra al

    tratador casi siempre se le ha agregado antes desemulsificante.

    Los tratadores pueden ser verticales u horizontales, aunque son ms comunes los primeros.

    La figura 22 muestra un esquema de un tratador vertical el cual funciona de la siguiente

    manera:

    La mezcla lquida, proveniente del separador bifsico, o de los pozos en casos en que la

    cantidad de gas sea baja, entra al tratador por la zona de separacin de gas y agua libres; se

    considera agua libre la que se puede separar en cinco minutos, esta zona est separada del

    resto del recipiente por medio de un bafle o placa inclinada; el agua libre se ir a la parte

    inferior de al zona y de all saldr a travs de una vlvula controlada por el nivel de agua

    (contacto agua - petrleo o agua emulsin), el gas se ir hacia la parte superior del

    recipiente y saldr a travs de una vlvula controlada por la presin interna del mismo.

    Cuando el nivel de aceite ms emulsin alcance la altura del vertedero se ir por ste hacia

    el fondo del recipiente y a medida que va bajando fluido el nivel del lquido va subiendo

    hacia la zona de calentamiento donde sta el calentador, generalmente del tipo pirotubular,

    que le aplicar calor a la mezcla con el fin de romper la emulsin; la mezcla despus de

    pasar por la seccin de calentamiento pasa por la zona de filtracin o paja (zona de

    coalescencia), donde la friccin y la adsorcin ayudarn a acabar de romper al emulsin,

    hacia la seccin de asentamiento donde se separen las fases petrleo y agua. El petrleo

    sale por la parte superior de la zona de asentamiento y el agua se va hacia el fondo del

    recipiente donde puede ser drenada. El tubo que comunica la seccin de asentamiento y la

    de separacin de gas y agua libres es para permitir que el gas que alcance a liberarse en la

    seccin de asentamiento pueda buscar la salida de gas. El agua de la emulsin sale por el

    fondo del recipiente a travs de una vlvula que es controlada por el contacto agua - aceite

    en la seccin de asentamiento. Como cualquier recipiente que trabaje a presin, el tratador

    tiene vlvula de alivio y disco de seguridad.

  • 88

    Figura 22. Tratador Vertical con Calentamiento Flujo Arriba.

    La figura 23 es un esquema de tratador horizontal cuyo funcionamiento es el siguiente:

    La mezcla agua libre, crudo y emulsin entra por la parte superior izquierda a una primera

    cmara donde ocurre la separacin de agua libre y all mismo se drena, luego por el

    rebosadero la emulsin y el aceite pasan hacia la seccin de calentamiento y de esta seccin

    por otro rebosadero la mezcla ya caliente pasa hacia la cmara derecha que es una seccin

    de asentamiento donde se separan el agua y el aceite. Las salidas de agua y aceite en cada

    cmara con controladas tal como muestra en la figura; as mismo el gas que se libere.

  • 89

    Figura 23. Tratador Horizontal con Calentamiento Flujo Arriba.

    La decisin de usar un tipo de tratador, vertical u horizontal, depende de factores como

    condiciones de operacin, disponibilidad de equipo, de espacio, etc. las ventajas que se

    presentan un tratador vertical es que puede trabajar a presiones muy bajas ya que el flujo a

    travs del recipiente es por gravedad. Las ventajas que presentan un tratador horizontal es

    la facilidad de instalacin y mantenimiento, y que la columna de fluido en la cmara de

    asentamiento es menor que en la de uno vertical. Si el tratador trabaja a presin es menos

    costoso uno horizontal.

    La figura 22 muestra un tratador vertical en el cual el calentamiento se hace a media que el

    fluido va subiendo, se dice que el calentador es de flujo arriba. La figura 24 muestra casos

    de tratadores verticales en los cuales el fluido establece contacto con el tubo de combustin

    bajando, se dice que el tratador es con calentamiento flujo abajo. Parece que el

    calentamiento flujo abajo ayuda a evitar la depositacin de escamas en el tubo de

    combustin (6)

    .

    Al igual que en los tratadores verticales, en los horizontales tambin se puede tener

    calentamiento flujo abajo o flujo arriba. El tratador de la figura 23 es de calentamiento

    flujo arriba y la figura 25 muestra un calentador horizontal con dos zonas de calentamiento

    en flujo abajo.

    Para disminuir el tiempo de retencin en la seccin de calentamiento y por lo tanto

    aumentar la capacidad del tratador se puede incrementar el rea de contacto del tubo de

    combustin con el lquido lo cual se logra instalando dos tubos de combustin el mismo

    recipiente uno a cada extremo como lo muestra la figura 25, o ramificando la zona del tubo

    de combustin por donde van los gases calientes en un haz de tubos delgados.

  • 90

    Figura 24. Tratadores Verticales con Calentamiento Flujo Abajo.

    Finalmente, es importante comentar que adems de los componentes fundamentales ya

    mencionados el tratador puede estar equipado con otros accesorios cuya finalidad es

    mejorar la operacin de separacin de fases.

    Dentro de esos accesorios estn:

    - Extractores de humedad y mezcladores de gas - Degasificadores en la zona de calentamiento

  • 91

    Figura 25. Tratador Horizontal con Calentamiento Flujo Abajo.

    - Intercambiadores externos de calor - Sifones ajustables para la salida del agua

    En cuanto a los extractores de humedad, stos son similares a los que se mencionaron en

    separadores y se usan en lo tratadores para conseguir que el gas salga de stos lo ms seco

    posible; por otra parte del hecho de que se logre disminuir la humedad del gas puede llegar

    a representar una ayuda en la conservacin del volumen y la gravedad API del crudo. Al

    hablar de mezcladores de gases no est haciendo referencia a un dispositivo en especial,

    sino que ms bien se quiere hablar de permitir que los gases que se separan en la seccin de

    agua libre en un tratador se puedan mezclar con los gases que separan en la seccin de

    calentamiento o asentamiento del mismo tratador; esto tendr como resultado que algunos

    componentes que vienen en el gas procedente de las secciones de calentamiento o

    asentamiento se condensen al entrar en contacto con el gas de la seccin de agua libre que

    est ms fro; de esta manera es posible ayudar a reducir las prdidas por evaporacin en el

    calentamiento y a conservar la gravedad API del crudo.

    Los degasificadores se usan con el fin de evitar que el gas desprendido en la seccin de

    calentamiento pase a las secciones de coalescencia y/o asentamiento y hacer que pase

    directamente a la seccin de agua libre donde se mezclar con el gas desprendido en esta

    ltima seccin permitiendo algo de condensacin. La figura 26 muestra dos posibles

    formas de efectuar la degasificacin en la seccin de calentamiento.

    Los intercambiadores de calor son dispositivos externos del tratador que permiten que el

    petrleo que sale caliente pueda transmitirle algo de su calor al fluido que est entrando al

    recipiente. Esto tiende dos ventajas fundamentales: en primer lugar hace que el petrleo

    llegue menos caliente al tanque de almacenamiento donde generalmente va a estar a baja

  • 92

    presin y mientras ms caliente llegue mayores sern las prdidas por evaporacin y

    disminucin en la gravedad API; en segundo lugar hace que el fluido que entra al tratador

    lo haga a mayor temperatura, la cual puede representar un ahorro considerable en los

    requerimientos de combustible y hacer que haya una separacin ms efectiva en la seccin

    de agua libre. La figura 27 muestra un esquema simplificado de un intercambiador; las

    direcciones de flujo son siempre en esa forma, el crudo que sale del tratador va por el

    anular y el fluido que entra va por el tubo interior; esto garantiza mayor posibilidad de

    transmisin de calor del crudo saliente pues puede hacerlo hacia la atmsfera y hacia el

    tubo interior.

    Figura 26. Mtodos de Degasificacin en la Seccin de Calentamiento

    Los sifones ajustables para la salida del agua proporcionan un buen control del nivel del

    agua y al ser ajustables permiten que ste en el tratador se pueda modificar fcilmente de

    acuerdo a la situacin de separacin que se est presentando, por parte pueden ayudar al

    enfriamiento del agua. De estos sifones se hablar un poco ms en la seccin de tanques.

    4.8. Dimensionamiento de calentadores y tratadores

    Para determinar el tamao del calentador y/o tratador se debe conocer la cantidad de fluido

    que se va a manejar, la cantidad de calor que se debe suministrar y el tiempo que debe

    permanecer el fluido en el recipiente.

  • 93

    Figura 27. Esquema de un Intercambiador Externo de Calor en un Tratador.

    La cantidad de calor que se debe suministrar depende de la temperatura a la cual entra el

    fluido, la temperatura a la cual debe salir y la cantidad de fluido que hay que calentar en la

    unidad de tiempo; adems de las prdidas de calor por vaporizacin y radiacin. Cuando

    estas ltimas no se tienen en cuenta el calor requerido se puede calcular de la siguiente

    manera (10)

    .

    oQ C' q T (4.3)

    donde:

    C': Capacidad calorfica de la emulsin, BTU/bbl

    Q: Cantidad de calor a generar en BTU/hr

    T: Incremento en temperatura, F

    q: Tasa volumtrica de emulsin, bls/hr

    C' depende del tipo de crudo y de la fraccin de agua, en porcentaje, presente en la

    emulsin. En general se puede calcular aplicando la siguiente ecuacin (6)

    wC' 2f 150 (4.4)

    donde:

    fw, fraccin de agua en la emulsin en porcentaje

    La ecuacin anterior da para el agua pura un valor de 350 y para un petrleo limpio un

    valor de 150 BTU/lbF.

  • 94

    El calor que se debe generar es el valor dado por la ecuacin (4.3) corregido por las

    prdidas de calor que se pueden presentar durante el proceso.

    Se consideran como prdidas de calor:

    Prdidas por evaporacin

    Prdidas hacia la atmsfera

    Para las prdidas por evaporacin:

    En el laboratorio se puede determinar la cantidad de fluido que se evapora al aplicarle calentamiento en unas condiciones similares a las de operacin.

    Si se supone que para un crudo el calor de vaporizacin es del orden 150 BTU/lb se puede calcular la cantidad de calor por vaporizacin.

    Para calcular las prdidas de calor hacia la atmsfera:

    Se debe conocer la temperatura del petrleo y la del agua, lo mismo que la temperatura ambiente y la velocidad del viento;

    De la figura 28 se puede determinar el coeficiente de transmisin de calor BTU/hr.pie2 para cuando el tanque est lleno con agua, pero se puede suponer que para el caso de

    petrleo o gas se poda tomar el mismo valor;

    Las prdidas de calor por radiacin de las zonas de agua y aceite en el tanque calculan de

    or o

    UQ A

    2

    wr wQ U A

    (4.5)

    (4.6)

    donde

    Qor y Qwr: Son las prdidas de calor a travs de las zonas de tratador en contacto con

    petrleo y agua respectivamente.

    U: Es el valor de coeficiente de transmisin para la zona ocupada por agua y

    ledo de la figura 28.

    Ao y Aw: Son las reas mojadas por petrleo y agua en el tratador.

    La cantidad total de calor, en BTU/hr se calcula de

    T vap. or wr oQ Q Q Q Q (4.7)

    donde:

    Qvap: son las prdidas de calor por vaporizacin, BTU/hr.

    Una idea de la cantidad de combustible requerido, si ste es gas natural, se puede tener

    suponiendo que un pie cbico produce al quemarse unas 1000 BTU y teniendo en cuenta la

    eficiencia por combustin y las prdidas de calor en los gases de la chimenea

  • 95

    Tg

    Qq E (PCN / hr.)

    1.000

    (4.8)

    Figura 28. Carta para Determinar Prdidas de Calor hacia la Atmsfera en un Tratador

    (6).

    Dimensionamiento

    Las dimensiones del recipiente deben ser tales que se cumpla con los requisitos de

    asentamiento y tiempo de retencin, los cuales varan dependiendo de si el tratador es

    vertical u horizontal (10)

    .

    En el caso del tratador horizontal los requisitos se establecen de la siguiente manera:

    Asentamiento

    La velocidad del petrleo en el recipiente debe ser tal que, mximo, iguale la velocidad de

    la partcula de agua, o sea que:

  • 96

    o twv v

    donde:

    vo: Es la velocidad del petrleo en la seccin de coalescencia del tratador.

    vtw: velocidad de la partcula de agua suspendida en la fase petrleo.

    En el caso de un tratador horizontal vo se puede calcular de

    o oo

    eff

    q qv

    A dL

    la cual cuando se lleva a unidades prcticas se tiene:

    4 oo

    eff

    qv 7,8 10

    dL

    si se aplica para vtw la ecuacin de Stokes, ecuacin (3.6), y se iguala con la ecuacin

    anterior se tiene despus de despejar:

    4 o o

    eff 2

    w o P

    qdL 2,72 10

    d

    (4.9)

    donde:

    d: Dimetro del tratador, pulgs

    Leff: Longitud de la seccin de coalescencia, pies

    qo: Tasa de emulsin, bpd

    o: Viscosidad de la fase petrleo, cp

    dp: Dimetro de la partcula de agua, m

    Tiempo de retencin

    El tiempo de retencin debe ser el suficiente para que las partculas de agua se unan y se

    separen del petrleo, por tanto el tamao de la zona de coalescencia debe ser tal que

    permita que el crudo permanezca en ella el tiempo de retencin; o sea

    ro

    o

    Vt ;

    q

    2

    eff

    dVol 0,75 L

    4

    suponiendo que un 75% del rea est disponible para almacenar fluido en la seccin de

    asentamiento; por tanto, usando unidades prcticas se tiene para tro: 2

    effro

    o

    d Lt 1,05

    q

    (4.10)

    donde:

    tro: Tiempo de retencin de la emulsin, minutos

    Las dimensiones de la seccin de asentamiento deben ser tales que se cumpla, como ya se

    ha dicho, las ecuaciones para asentamiento y tiempo de retencin.

  • 97

    Las ecuaciones para asentamiento involucran el tamao de la partcula de agua, el cual

    depende de la viscosidad del petrleo y sta a su vez de la temperatura. 0,675

    md 500 (4.11)

    donde

    dm: Dimetro de la partcula, micras

    : Viscosidad del petrleo, cp

    La viscosidad del petrleo se calcula con la correlacin de Beggs y Robinson(3)

    , x

    o 10 1 (4.12)

    donde,

    o, viscosidad del petrleo en cP.

    T, temperatura del aceite en F. 1,63Tx y

    zy 10

    z 3,0324 0,0223G

    G, API del petrleo.

    Procedimiento

    Seleccionar una temperatura de tratamiento.

    Determinar la viscosidad a la temperatura de tratamiento

    Determinar el dimetro de la gota de agua que debe ser removida del aceite a la temperatura de tratamiento.

    Graficar las ecuaciones de asentamiento, ecuacin (4.9) y retencin, ecuacin (4.10)

    Repetir el procedimiento para otras temperaturas de tratamiento.

  • 98

    Para el tratador vertical, las ecuaciones de asentamiento y tiempo de retencin se obtienen

    de la siguiente manera:

    Asentamiento

    o o

    2

    q qvo

    A d 4

    y la velocidad terminal de la partcula de agua, se sigue calculando segn Stokes. Igualando

    las dos velocidades y usando unidades prcticas se tiene al despejar dimetro:

    1

    2o o

    2

    P w o

    qd 643,9

    d

    (4.13)

    Tiempo de retencin

    Nuevamente el tiempo de retencin se puede obtener de

    ro

    o

    Vt

    q

    pero en un separador vertical 2d

    Vol h4

    y usando unidades prcticas queda despus de despejar d2h:

    2

    ro od h 8,58t q (4.14)

    donde h es la altura de la zona de aceite en la seccin de asentamiento del tratador, pulgs.

    Procedimiento

    Los mismos pasos del tratador horizontal, pero se grafican las ecuaciones (4.13) para

    asentamiento y la (4.14) para retencin. La curva del tiempo de retencin (ecuacin (4.14)

    no depende de la temperatura de tratamiento y la ecuacin (4.13) para cada temperatura de

    tratamiento da una horizontal.

    El procedimiento y las ecuaciones anteriores nos darn las dimensiones para la seccin de

    asentamiento.

    Hay que tener en cuenta que el tratador debe manejar una seccin de agua libre y una

    seccin de calentamiento.

    Casi nunca se tiene en cuenta la capacidad al gas pues antes de llegar al tratador el fluido ha pasado generalmente por un separador y un Fwko; de todas maneras se debe

    tener presente en dejar un cierto espacio para manejar algo de gas.

    En la seccin de agua libre la produccin total debe permanecer por lo menos 5 minutos.

    En la seccin de calentamiento la emulsin debe permanecer por lo menos una hora.

  • 99

    Huffman(6)

    presenta el siguiente procedimiento grfico para dimensionar tratadores:

    Para calcular la capacidad nominal se procede de la siguiente manera:

    Cuando el tratador es horizontal:

    De la figura 29 y conociendo el tamao del tratador (dimetro y longitud) se lee la capacidad nominal de lquido.

    de la figura 30 se lee el factor de correccin que hay que aplicarle a la capacidad nominal para obtener la verdadera capacidad del tratador.

    Para entrar a la figura 30 se requiere conocer la diferencia en gravedades especficas del petrleo y el agua.

    Cuando el tratador es vertical

    La capacidad al agua se calcula usando la figura 31 para lo cual se necesita el tamao del tratador y la diferencia en gravedades especficas entre el petrleo y el agua.

    Las figuras 29 y 31 son empricas y se desarrollaron para situaciones tpicas de tratamiento

    de emulsiones tales como temperatura de tratamiento y tiempos de retencin; adems

    suponen que en la seccin de agua y gas libre la mezcla permanece 5 minutos y en la

    seccin de calentamiento la emulsin permanece una hora.

    Las figuras 29 y 31 permiten obtener el tamao de recipiente que se podra seleccionar para

    el tratamiento de la emulsin cumpliendo con los requisitos de retencin, luego hay que

    verificar si cumple con el asentamiento.

  • 100

    Figura 29. Carta para Determinar la Capacidad de Lquido Nominal de un Tratador Horizontal.

    Para verificar si cumple con el asentamiento:

    La capacidad al petrleo (emulsin) de un tratador es funcin de la velocidad permisible a

    travs de la seccin de coalescencia y asentamiento. La figura 32 es un grfico de

    velocidades permisibles vs gravedad API para diferentes tipos de tratadores; la curva 1 es

    para tratadores verticales flujo arriba, la curva 2 es para tratadores horizontales con

    calentamiento flujo abajo y la 3 para tratdores verticales flujo abajo. Luego la capacidad al

    petrleo se calcula de:

    0 o fq v A / 5,615 (4.15)

    donde:

    qo: Tasa de emulsin, bls/hr

    vo: velocidad permisible en la seccin de coalescencia (pies/hr)

    Af: Area perpendicular al flujo en la seccin de coalescencia, pies2

  • 101

    Figura 30. Carta para Encontrar el Factor de Correccin para la Capacidad al Lquido de un Tratador

    Horizontal.

    En un tratador vertical, el rea da la seccin de coalescencia es el rea transversal del

    tratador. Para un tratador horizontal esta rea se toma como

    f

    DLA

    2

    (4.16)

    donde,

    D: Dimetro del tratador, pies

    L: Longitud de la seccin cilndrica del tratador

    Finalmente, es necesario disear el sistema de transferencia de calor, la superficie de

    contacto de la emulsin con la fuente de calor:

    La superficie de contacto debe ser tal que se pueda transferir todo el calor requerido para

    calentar la emulsin

  • 102

    o oQ U A T q (4.17)

    donde,

    qo, tasa de emulsin, bls./hr.

    A, superficie de contacto entre la emulsin y la fuente de calor

    Figura 31. Carta para Encontrar la Capacidad al Lquido de un Tratador Vertical

    (6).

    mx min

    mx

    T TT

    ln T / T min

    (4.18)

    U, coeficiente global de transferencia de calor, BTU/Pie2/hr.

    La ecuacin (4.18) permite encontrar un diferencial de temperatura promedio entre la

    fuente de calor y la emulsin, pues este diferencial no es constante sino que vara a travs

    del recipiente; segn la ecuacin (4.18) el delta de temperatura promedio es un promedio

  • 103

    logartmico entre el delta mximo y el delta mnimo que se presenta en el recipiente.

    Cuando el fluido a calentar entra por la zona ms caliente del recipiente, o sea por el

    extremo donde est ubicado el quemador, y se desplaza dentro del recipiente en la direccin

    en que avanzan los gases de la combustin, el delta mximo se presenta en el punto donde

    entra el fluido y el delta mnimo en el punto donde sale el fluido ya caliente; en este caso se

    habla de un calentador de coflujo; si el fluido entra por la zona donde salen los gases de la

    combustin y se desplaza en el recipiente en la direccin contraria a la del desplazamiento

    de los gases de la combustin, se habla de un calentador de contraflujo.

    Figura 32. Carta para Encontrar la Capacidad al Petrleo de Tratadores

    (6).

    Ejemplo 4.1.

    Se tiene la siguiente produccin de un campo y para tratar la emulsin se debe disear un

    tratador horizontal:

    Tasa de produccin total lquida, 10.000 BPD.

    RAP= 0,25

    Porcentaje del agua total que est emulsionada, 8%.

    Gravedad API del Petrleo, 25.

    w = 1,03

  • 104

    Temperatura de tratamiento, 160 F.

    Solucin

    La cantidad de emulsin a tratar es

    e wq 10.000 1 f 1 0,08

    w

    RAP 0,25f 0,20

    1 RAP 1 0,25

    eq 10.000 1 0,2 1 0,08 8.160bpd.

    La viscosidad del petrleo es: x

    o 10 1

    z 3,0324 0,0223G 3,0324 0,02023 25 2,5267 z 2,5267y 10 10 336,24

    1,163 1,163T 160x y 336,24 1,016

    x 1,016

    o 10 1 10 1 9,38cP

    El dimetro de la partcula es 0,675 0,675

    md 500 500 9,38 110,4 m

    Densidad del Petrleo

    o

    141,5 141,50,9041

    131,5 API 131,5 25

    3

    o o 62,4 0,9041 62,4 56,42lbm./ pie

    Densidad del agua 3

    w w 62,4 1,03 62,4 64,272lbm./ pie

    Ecuacin para el asentamiento

    4 4o o

    eff 2 2

    w o P

    q 8.160 9,38dL 2,72 10 2,72 10 21.754,22

    d (62,4 1,03 56,42) 110,4

    Ecuacin de retencin para un tiempo de 20 minutos 2

    2eff ro oro ef

    o

    d L t q 20 8.160t 1,05 d L 155.428,57

    q 1,05 1,05

    La tabla 4.1 muestra los valores de Leff para diferentes dimetros de acuerdo con las

    ecuaciones de asentamiento y retencin. Tabla 4.1. Solucin de las ecuaciones de asentamiento y retencin para el tratador del problema 4.1

  • 105

    D

    (Pulgs.)

    Lef

    (asentam.)

    (pies)

    Lef (Retenc.)

    (pies)

    10 2175,4 1554,3

    12 1812,9 1079,4

    14 1553,9 793,0

    16 1359,6 607,1

    18 1208,6 479,7

    20 1087,7 388,6

    24 906,4 269,8

    30 725,1 172,7

    36 604,3 119,9

    40 543,9 97,1

    42 518,0 88,1

    48 453,2 67,5

    54 402,9 53,3

    60 362,6 43,2

    Las curvas de asentamiento y retencin se grafican en la figura 33

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    0 20 40 60 80

    D

    Lef Retencin

    Asentamiento

    Figura 33. Diseo de un Tratador Horizontal para una Temperatura de Tratamiento de 160 F (Problema

    4.1)

  • 106

    4.9. Algunas Desventajas del Calentamiento. Los efectos adversos del calentamiento podran ser, entre otros, los siguientes:

    - Reduccin del volumen de crudo, cuando el calentamiento es alto, al evaporarse parte de ste.

    - Variacin de las propiedades fsicas del crudo, aumento en la densidad y la viscosidad, lo cual disminuye su valor comercial.

    - Costos mucho mayores por equipo y combustible. - Incremento en costos por problemas de corrosin y mantenimiento. - No es tan verstil como el tratamiento qumico en el sentido de poderse aplicar sin

    problemas en grande o pequea escala

    - Aunque el funcionamiento de calentadores y tratadores es seguro el riesgo potencial de accidentes graves puede ser mucho mayor que en el caso del tratamiento qumico.

    Quizs de todos los efectos mencionados el ms critico es la disminucin en volumen y

    gravedad API del crudo y aunque generalmente se le da ms importancia a la disminucin

    en volumen que en gravedad API es necesario tener en cuenta que para una misma prdida

    en volumen, la prdida en gravedad API depende del tipo de crudo, tal como lo muestra la

    figura 34(4)

    en la cual se puede apreciar que para un mismo valor en prdida de volumen la

    prdida en gravedad API aumenta mientras ms alta sea sta. Igualmente se puede ver que

    para un mismo valor en prdida de gravedad API, la prdida en volumen ser mayor

    mientras menor sea la gravedad API.

    Figura 34. Variacin de la Gravedad API con las Prdidas por Evaporacin al Calentar Diferentes

    Tipos de Crudos(4).

  • 107

    Las prdidas por calentamiento se pueden reducir en muchos casos tomando precauciones

    como las siguientes:

    Usando intercambiadores externos.

    Permitiendo que los vapores que se separen en la seccin de calentamiento puedan llegar a la seccin de agua y gas libres.

    Almacenando el crudo en recipientes a presin, etc.

    4.10. Precipitadores electrostticos

    No son tan usados como los tratadores trmicos. La diferencia con ste consiste en que la

    seccin de coalescencia y asentamiento se coloca la emulsin bajo la influencia de un

    campo elctrico de corriente alterna o continua de alto potencial, despus de un

    calentamiento previo moderado. La corriente alterna es la ms barata y la ms empleada.

    Cuando se habl de las posibles formas en que poda actuar el agente emulsificante se dijo

    que una de ellas era creando cargas elctricas en la superficie de las gotas de agua lo cual

    haca que las gotas se repelieran entre s impidiendo la coalicin; la presencia del campo

    elctrico puede llegar a vencer estas fuerzas repulsivas y as hacer que se unan las gotas, o

    sea que la accin del campo elctrico es aumentar el efecto de la gravedad.

    Experimentalmente se ha encontrado que la accin del campo elctrico es casi nula cuando

    la distancia entre las gotas es ms o menos ocho veces el dimetro promedio de ellas; en

    este momento el porcentaje de agua remanente debe estar por debajo del 0.2%(6)

    .

    El potencial requerido vara con las caractersticas dielctricas del aceite, el espaciamiento

    de los electrodos y la naturaleza de la pelcula emulsificante. En general vara entre 11000

    y 33000 voltios (6)

    .

    Para aumentar la rata de unin y precipitacin de las gotas de agua, se debe disminuir la

    viscosidad del crudo por medio de calentamiento moderado, y para reducir las prdidas por

    evaporacin ocasionadas por el calentamiento se pueden trabajar los deshidratadores a

    presin.

    Cuando las emulsiones son demasiado duras es necesario recurrir a estos tipos de tratadores

    para conseguir reducir el contenido de agua a los lmites exigidos. Aunque tambin existen

    tratadores elctricos verticales stos generalmente se usan en refineras.

    Los precipitadores electrostticos funcionan generalmente con corriente alterna aunque

    recientemente han empezado a entrar en uso algunos tratadores conocidos como de doble

    polaridad debido a que usan simultneamente campos elctricos alternos y continuos los

    cuales han resultado ser ms efectivos para romper emulsiones demasiado duras y su

    capacidad puede ser hasta un 15% mayor que la de un tratador convencional de corriente

    alterna del mismo tamao (6).

  • 108

    La figura 35 muestra un precipitador electrosttico convencional el cual funciona de la

    siguiente manera:

    El fluido entra al recipiente y da sobre la cubierta que cubre el tubo de combustin y

    empieza deslizarse sobre ella hacia el fondo del recipiente, en esta zona se presenta la

    separacin de gas el cual sale del recipiente por la parte superior. En el fondo del recipiente

    se presenta separacin del agua libre, y el petrleo y la emulsin pasan la lmina ranurada,

    que distribuye uniformemente el fluido que se va a calentar, hacia la zona de calentamiento.

    Cuando el nivel del fluido en la zona de calentamiento alcanza el rebosadero pasa hacia la

    zona de coalescencia donde es sometido a un capo elctrico; el fluido entra a esta seccin a

    travs de tubos o lminas ranuradas para distribuirlo uniformemente. En la parte superior

    de la seccin de coalescencia se tiene un tubo ranurado por donde se retira el crudo ya

    limpio. El agua separada en esta seccin se retira por el drenaje inferior. Se considera que

    en esta zona de coalescencia no hay gas.

    Figura 35. Esquema de un Precipitador Electrosttico

    El sistema elctrico del precipitador consta de un transformador y dos electrodos. Los dos

    electrodos estn suspendidos, uno encima de otro, en la fase petrleo de la seccin de

    coalescencia. El rea transversal de los electrodos es perpendicular a la direccin de flujo.

    La altura del electrodo superior es ajustable, de tal manera que el gradiente de voltaje (5000

    - 7000 voltios/pulgadas) se puede variar para reunir los requerimientos de coalescencia. El

  • 109

    electrodo inferior no est conectado a tierra y no es ajustable. La salida secundaria del

    transformador est conectada a este electrodo.

    En la figura 69 de la referencia (6) se muestran algunos tipos de precipitadores

    electrostticos disponibles con sus caractersticas ms importantes. La columna AC se

    refiere a tratadores elctricos de corriente alterna y la columna AC/DC se refiere a

    tratadores elctricos de polaridad doble.

    Entre las ventajas que se tienen al usar un precipitador electrosttico se puede mencionar(6)

    :

    - Menores temperaturas de tratamiento - Menor uso de desemulsificante - Menores prdidas por evaporacin - Mayor volumen de crudo tratado y mayor gravedad API - Menores costos de combustible - Se elimina el uso de los filtros y su respectivo mantenimiento - Reduccin en la corrosin y depositacin de escamas - El agua que sale de la seccin de coalescencia es mucho ms limpia.

    4.11. Prevencin de emulsiones (10)

    Muchas veces las prcticas de produccin que se siguen en el campo pueden no ser las

    ideales para prevenir o tratar de emulsiones. Sin embargo sustituir por nuevos mtodos

    para prevenir emulsiones frecuentemente no es econmicamente justificable. En

    operaciones de produccin se deben tener en cuenta todos los aspectos y no nicamente los

    relacionados con el manejo de emulsiones.

    Cada campo, y a veces hasta cada pozo, con sus caractersticas propias, ofrece problemas

    individuales y generalmente un proceso de ensayo y error es la nica manera de encontrar

    la causa o prevenir la formacin de una emulsin, aunque tambin la experiencia previa con

    otros campos o pozos similares indica la solucin. Existen algunas prcticas generales que

    se pueden usar para prevenir o reducir la emulsificacin del petrleo y el agua.

    Para prevenir la formacin de una emulsin se deben neutralizar una o ms de las

    condiciones requeridas para que se presente, y puesto que la accin del agente

    emulsificante se neutraliza mediante el tratamiento en la prevencin se debe tratar de

    neutralizar las otras dos condiciones necesarias para que haya emulsin; es decir se debe

    evitar que haya produccin simultnea de agua y petrleo o evitar que haya agitacin.

    Como no es posible siempre evitar que haya flujo simultneo de agua y petrleo, la mejor

    manera de prevenir emulsiones es prevenir agitacin. La produccin de agua algunas veces

    se puede reducir o incluso eliminar con cementaciones correctivas para taponar las

    perforaciones inferiores de la formacin.

  • 110

    La cantidad de agua que se dispersa en el petrleo depende de las cantidades relativas de

    los dos lquidos. Si no hay mucha agua no se necesita mucha agitacin para dispersarla en

    el crudo y lo contrario si hay mucha agua se requerir mucha agitacin para dispersarla en

    el crudo. Si hay mucho agua dispersa la estabilidad e la emulsin es menor. Una forma de

    tratar emulsiones sera agregar agua despus de la agitacin; sin embargo este

    procedimiento se usa poco. En este sentido colocar un Fwko antes de tratar la emulsin

    puede no ser beneficioso.

    En pozos por flujo natural se producen emulsiones por la agitacin que resulta al liberarse

    gas lo cual ocurre a medida que disminuye la presin y esta disminucin es an mayor

    cuando en el pozo se tiene restricciones al flujo. Cuando se usan estranguladores en

    superficie la emulsin se puede formar despus de ste debido a la cada de presin que trae

    como consecuencia un incremento en agitacin por liberacin de gas. El incremento en la

    agitacin ser mayor mientras mayor sea la cada de presin y por tanto una forma de

    reducir un poco este efecto sera tratando de que el separador trabajar a una presin mayor

    de suerte que no hubiese la necesidad de una cada alta de presin en el estrangulador.

    El uso de estranguladores en el fondo de pozos que producen por flujo natural tambin

    controla la produccin, lo mismo que los de superficie; pero adems disminuye la cantidad

    y estabilidad de la emulsin por las siguientes razones:

    - Hay menos cada de presin en un estrangulador en el fondo del pozo que en superficie. - Las temperaturas en el fondo del pozo son considerables mayores que las temperaturas

    en la cabeza.

    - No se presenta cambio en la direccin de flujo lo cual implica menos turbulencia y agitacin.

    El uso de intermitentes puede reducir considerablemente las emulsiones, este mtodo

    permite que el pozo fluya por muchos perodos cortos durante 24 horas con las menores

    restricciones posibles. Es posible seleccionar un perodo de flujo de la amplitud deseada y

    con la frecuencia necesaria para obtener la produccin programada en el pozo. El uso de

    intermitentes implica menos restricciones y por tanto menos posibilidad de agitacin y

    liberacin de gas que los estranguladores; adems habr menos cada de presin entre la

    cabeza del pozo y el separador. Como la cantidad de fluido a travs de la lnea de

    superficie es mucho mayor, se debe evitar al mximo las restricciones en ella tales como las

    ocasio