¿Qué hace un separador de gas: funciones, física y por qué es importante

Respondiendo a la pregunta central:¿Qué hace un separador de gas?Un separador de gas elimina gotas de líquido y partículas sólidas de una corriente de gas en flujo para que el gas que sale esté lo suficientemente seco como para proteger el equipo, ser medido con precisión y cumplir con las especificaciones de la tubería. Lo hace en cuatro pasos: ralentizando el gas para que la gravedad pueda actuar, permitiendo que el líquido se asiente, capturando las finas gotas que la gravedad pasa por alto en un eliminador de neblina, y recolectando y eliminando el líquido bajo control de nivel mientras se retienen los sólidos para una limpieza periódica. La regla física que rige todo el recipiente es que el gas debe moverse lo suficientemente lento como para que una gota de líquido caiga más rápido de lo que el gas sube, expresado por la ecuación de Souders-Brown con un factor K de 0.08-0.35 m/s dependiendo de la orientación del recipiente y el tipo de eliminador de neblina. Una unidad bien diseñada deja menos de 0.1 galones estadounidenses de líquido por millón de pies cúbicos estándar en el gas.

1. Los cuatro trabajos que realiza un separador de gas

Cada trabajo aborda un modo de falla diferente, y los cuatro deben funcionar para que el recipiente cumpla su tarea:

• Ralentiza el gas:El gas en una tubería se mueve a 10-30 m/s, demasiado rápido para que se asiente cualquier gota. El primer trabajo del separador es expandir el área de flujo, típicamente en un factor de 10 a 100, para que la velocidad caiga a un nivel donde la gravedad pueda actuar, y un dispositivo de entrada como un deflector, una tubería medio abierta o una entrada ciclónica disipa el impulso restante. Es por eso que los separadores son mucho más anchos que la tubería que los alimenta y por qué la boquilla de entrada es a menudo más grande que la línea de entrada. También es por eso que un separador que es demasiado pequeño para su flujo no se degrada con gracia: una vez que la velocidad del gas supera el límite de Souders-Brown, el líquido se arrastra casi independientemente de lo buenos que sean los demás internos, porque las gotas se reintroducen más rápido de lo que pueden asentarse.
• Asienta el líquido a granel:Una vez que el gas es lento, las gotas por encima de aproximadamente 100-500 micrómetros caen al fondo del recipiente dentro del tiempo de residencia disponible, que es por qué los separadores proporcionan retención de líquido de 1-15 minutos dependiendo del servicio. El líquido se acumula en el fondo, y el nivel se mantiene en un punto de ajuste mediante una válvula de descarga o una válvula de control de nivel. El gas debe atravesar el recipiente de manera uniforme, por lo que se utilizan deflectores de distribución perforados en recipientes horizontales, y la salida de líquido está equipada con un rompedor de vórtices, porque un vórtice en la salida arrastra gas a la línea de líquido y causa exactamente el problema para el que existe el separador. En servicio trifásico, el recipiente también separa el agua del líquido de hidrocarburo utilizando un controlador de nivel de interfaz y un vertedero o una bota.
• Captura la neblina fina:La gravedad no puede eliminar gotas por debajo de aproximadamente 100 micrómetros en un recipiente razonable, por lo que un eliminador de neblina se encarga de la fracción fina, y este es el elemento que más a menudo determina el rendimiento real. Una malla de alambre tejido, de 100-150 mm de espesor, captura gotas por encima de 5-10 micrómetros con una eficiencia de hasta el 99.9% con una caída de presión de solo 25-75 mm H2O, pero se inunda si la carga de líquido excede su capacidad. Un paquete de álabes o chevrón maneja gotas de 10-40 micrómetros, tolera sólidos y cargas de líquido mucho más altas, y se prefiere en servicio de ensuciamiento. Un separador de filtro con elementos coalescentes alcanza 0.3-1 micrómetros al 99.98%, y se utiliza aguas arriba de tamices moleculares, contactores de glicol y medidores fiscales. Elegir entre ellos es un intercambio de eficiencia contra resistencia al ensuciamiento y caída de presión.
• Elimina el líquido y los sólidos:El trabajo final es simplemente sacar el material capturado del recipiente antes de que se llene. El líquido sale por la salida inferior bajo control de nivel, con dos transmisores de nivel independientes, una alarma de nivel alto y un viaje de nivel alto-alto que protege el equipo aguas abajo. Los sólidos, que llegan como arena, incrustaciones y productos de corrosión, se asientan debajo del líquido y se eliminan mediante chorreado periódico de arena, en el que un chorro de agua a alta presión fluidiza el lecho y se sopla a un ciclón o una olla de recolección. La frecuencia del chorreado es un diagnóstico útil: cada hora indica un pozo arenoso o una falla en el control de arena, cada mes indica una corriente limpia. Tanto el líquido como los sólidos deben ir a alguna parte, y la ruta de eliminación, no el recipiente, es a menudo la restricción real.

2. Por qué importa la separación: qué protege

El valor de un separador de gas se mide por lo que previene, y cuatro categorías de equipos están en riesgo:

• Compresores y equipos rotativos:Un compresor centrífugo es la máquina más sensible a los líquidos en una planta de gas. Las gotas de líquido erosionan el impulsor y los sellos laberínticos, causan desequilibrio y vibración del rotor, y lavan el aceite lubricante de los cojinetes; una masa que llega a la succión puede destruir la máquina en segundos. Un compresor alternativo es peor, porque el líquido es esencialmente incompresible, por lo que el líquido en un cilindro causa un bloqueo hidráulico que dobla las bielas y rompe las válvulas. Es por eso que los depuradores de succión de compresores son estándar en todas las máquinas, por qué están equipados con un viaje rápido de nivel alto-alto que apaga la máquina, y por qué tienen una pequeña retención de líquido por diseño: la intención es disparar rápidamente en lugar de almacenar líquido.
• Medición y transferencia de custodia:Donde el gas cambia de propietario, el líquido cuesta dinero directamente. En un medidor de orificio, el flujo bifásico cambia el coeficiente de descarga y la presión diferencial medida, y el líquido se acumula en las líneas de impulso y contra la placa, produciendo errores de varios por ciento. En un medidor ultrasónico, las gotas y una película líquida en las caras del transductor atenúan y dispersan la señal. Debido a que una tubería grande puede transportar millones de pies cúbicos estándar por día, un error persistente del dos por ciento es una suma material, por lo que los contratos especifican un separador inmediatamente aguas arriba del medidor y, a menudo, un contenido máximo de líquido. Esta es también la razón por la que se utilizan separadores de filtro, no depuradores simples, en los puntos de medición fiscal.
• Unidades de tratamiento: deshidratación, amina y azufre:El líquido que entra en una unidad de proceso causa un daño desproporcionado. En un contactor de deshidratación de glicol, el hidrocarburo líquido causa una espuma severa, arrastre de glicol y pérdida de la capacidad de deshidratación, y puede forzar una parada para limpiar el sistema y reemplazar el glicol degradado. En una unidad de amina, el hidrocarburo líquido y los sólidos causan espuma, pérdida de amina y corrosión, y los productos de amina degradados aceleran el problema. En una unidad de tamiz molecular, el agua líquida o el hidrocarburo dañan permanentemente el adsorbente, ya que las perlas se rompen y deben ser reemplazadas. En cada caso, el remedio cuesta mucho más que el separador, por lo que se instala un separador de entrada o un separador de filtro inmediatamente aguas arriba de estas unidades como práctica estándar en lugar de como opción.
• Tuberías, reguladores y usuarios finales:Aguas abajo de la planta, el líquido crea problemas operativos y de integridad. Se acumula en puntos bajos, reduciendo el área de flujo y la capacidad y requiriendo limpieza con cerdos para su eliminación. Forma hidratos en puntos de reducción de presión cuando se combina con agua y baja temperatura, creando tapones que pueden cerrar una línea durante días. Obstruye los reguladores de presión y los equipos de odorización en los sistemas de distribución. Promueve la corrosión interna donde hay agua y gases ácidos. Y viola la especificación de la tubería, que típicamente requiere líquidos libres, un punto de rocío de hidrocarburo por debajo de aproximadamente -5 a 0 °C a presión de entrega, un punto de rocío de agua por debajo de aproximadamente -10 °C, sulfuro de hidrógeno por debajo de 4 ppm y dióxido de carbono por debajo de 2-3%. Cumplir esa especificación es el propósito contractual final del separador.

Matriz de funciones de separador de gas y consecuencias de falla

Preguntas frecuentes (FAQ)

P: ¿Cómo funciona realmente un separador de gas?

R: Funciona dando tiempo a las gotas de líquido para que caigan mientras el gas se mueve lo suficientemente lento como para que puedan hacerlo. El gas entra y se ralentiza por un dispositivo de entrada que disipa su impulso, luego pasa a través de una gran sección transversal donde la velocidad es típicamente de 0.1-0.5 m/s frente a 10-30 m/s en la tubería. A esa velocidad, las gotas por encima de aproximadamente 100-500 micrómetros se asientan en el fondo dentro del tiempo de residencia, que es por qué el recipiente proporciona 1-15 minutos de retención de líquido. Las gotas demasiado pequeñas para asentarse son capturadas por un eliminador de neblina, donde el gas debe cambiar de dirección alrededor de un alambre o un álabe y las gotas, al tener más inercia, no pueden seguir e impactar en la superficie, coalescer en gotas más grandes y drenar. El líquido recolectado se mantiene a un nivel controlado y se elimina a través de una válvula; los sólidos se asientan debajo de él y se chorrean periódicamente.

P: ¿Cuál es la diferencia entre un separador, un depurador y un tambor de golpe?

R: En la práctica, los términos se superponen y se usan a menudo indistintamente, pero hay una convención. Un separador es el término general, y en el uso de plantas de gas generalmente implica un recipiente que separa y retiene líquido como producto o como corriente a procesar, con 3-15 minutos de retención. Un depurador es un separador más pequeño y simple cuyo propósito es la protección en lugar de la producción, con 1-3 minutos de retención, que se encuentra en la succión del compresor, en las plataformas de gas combustible y en las tomas de gas de instrumentos. Un tambor de golpe, o KOD, es un dispositivo de protección dimensionado para un flujo transitorio en lugar de un flujo constante, la mayoría de las veces un tambor de golpe de antorcha dimensionado para el caso de alivio de emergencia, o un tambor que elimina masas líquidas antes de un horno o un compresor. Los tres utilizan la misma base de dimensionamiento de Souders-Brown, pero difieren en la retención, en la instrumentación y en lo que protegen.

P: ¿Qué sucede si un separador de gas está subdimensionado?

R: La velocidad del gas excede el límite de Souders-Brown, por lo que las gotas que de otro modo se asentarían se arrastran con el gas, y el recipiente arrastra líquido continuamente en lugar de ocasionalmente. El modo de falla es distintivo: el eliminador de neblina se inunda porque recibe mucho más líquido de lo que fue diseñado para manejar, lo que aumenta la caída de presión y, una vez que la almohadilla está saturada, reintroduce líquido en la salida de gas a una velocidad peor que si no hubiera almohadilla. Las consecuencias aparecen primero aguas abajo, como pérdidas de glicol en una unidad de deshidratación, espuma en un contactor de amina, o alta vibración y lavado de un compresor. El subdimensionamiento es más común después de que un proyecto de eliminación de cuellos de botella aumenta el rendimiento, o cuando un campo produce más líquido de lo previsto originalmente, por lo que la velocidad debe ser reevaluada cada vez que cambian las tasas.

P: ¿Cómo se sabe si un separador de gas está funcionando?

R: Se monitorean cuatro indicadores. Presión diferencial a través del recipiente y a través del eliminador de neblina, ya que una lectura constante significa operación normal mientras que una tendencia ascendente significa ensuciamiento o inundación y una tendencia descendente puede significar un elemento dañado o desplazado. Arrastre de líquido, medido directamente por muestreo o inferido del comportamiento del equipo aguas abajo, como el consumo de glicol en un contactor o la espuma de amina. Comportamiento del control de nivel, ya que las alarmas frecuentes de nivel alto, una válvula de descarga oscilante o un nivel que no se mantiene en el punto de ajuste apuntan a un problema de manejo de líquidos en lugar de un problema de separación. Y la velocidad del gas comparada con el factor K de diseño, ya que la verificación más simple de todas es si el flujo real, a presión y temperatura reales, está dentro del envolvente para el que se dimensionó el recipiente.