DIMENSIONAMIENTO FILTRO PIA 3¶
Release |
Descripción |
Fecha |
Elaboró |
Aprobó |
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0.1 |
Se envió para revisión del cliente |
26/07/22 |
HG |
Objetivo y alcance¶
Objetivo¶
Dimensionamiento de un nuevo filtro y sus internos para tratar 20.000 BWPD.
Alcance¶
Se recopilaron bases de diseño para este proyecto.
Se dimensiona el filtro nuevo para el reemplazo de los actuales de la PIA 3.
Se dimensiona el distribuidor de la entrada del filtro.
Se dimensiona el colector de salida del filtro.
Resumen¶
SierraCol realizó un diagnóstico de la operación de los pods de filtrado (conjunto de cilindro superior de 24in de diámetro y cilindro inferior de 36in de diámetro) actuales de la PIA 3. Se encontraron oportunidades de mejora que se quieren aprovechar para el diseño de filtros de mejor eficiencia y menor mantenimiento. Dentro de los hallazgos se encontraron:
Problemas de pérdida de material de la carcaza del cilindro de 36in, ocasionada en la zona expuesta al chorro de producción y retrolavado cerca del colector inferior.
Daño mecánico por fuerzas de deflexión en el colector inferior del filtro debido a largas zonas en voladizo del tubo acanalado.
Mala distribución del relleno, que ocurre en la operación del filtro por dos posibles causas principales, que son: 1. La entrada de agua distribuida en solamente chorros correspondientes a las boquillas de entrada del agua, que golpean de manera directa el relleno socavandolo y 2. La posible generación de montañas de relleno en zonas particulares una vez se reacomoda el relleno cuando se termina el proceso de retrolavado.
Los cálculos basados en las recomendaciones del material de relleno predicen que para tratar 20.000 BWPD se requiere mayor área seccional del relleno que la que tiene un filtro de 36 in.
Se plantearon diversas alternativas para el diseño de un filtro, que reemplace cada uno de los pods existentes. El diseño propuesto incluye un sólo cilindro, en lugar de los dos actuales y el aumento de su tamaño hasta el mayor diámetro posible acercanbdose al ideal de 69in.
Se compararon dos geometrías para la sección del filtro, una cilíndrica y la otra elíptica. La segunda opción permitiría disponer de mayor (área y altura) para el filtrado y la expansión en retrolavado. Al final, se escogió, en conjunto con SierraCol, la opción de sección cilídrica por su menor costo y mayor facilidad de fabricación.
Se diseñaron internos para el filtro para conseguir la mayor cobertura y uniformidad posibles del flujo sobre el lecho filtrante.
Se realizaron cálculos para predecir la caída de presión a través del filtro, de manera que se mantenga la potencia de bombeo del sistema existente.
Con las anteriores premisas se obtuvo el filtro cilíndrico de 60in de diámetro y 144in de longitud, que se muestra en la siguiente figura.
Filtro cilíndrico 66inx144in |
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El filtro diseñado producirá una caída de presión de aproximadamente 16 psi en el medio filtrante y la velocidad teórica del agua a través del lecho filtrante seá de 23.7m/hr, mayor que los 20m/H solicitados por AFM para retirar el 95% de las partículas de tamaño superior a 5 micras. El tamaño óptimo de 69 in requeriría una disponibilidad de espacio superior a la existente en campo.
En el diseño se siguieron diferentes estrategias para optimizar el flujo de agua a través del medio filtrante obteniendo importantes mejoras en comparación con el diseño de los pods de filtrado actuales.
Datos de entrada¶
Para el desarrollo de este capítulo se requirieron los datos consignados en los siguientes documentos:
BASE 3D MICROFILTRACION PIA3 11-07-18 OP6.dwg
Scouting Filtros NAP Sección DG-DG (junio 21 de 2022) comprimido.ppt
Scouting Filtros NAP Sección DJ_DJ (junio 21 de 2022) comprimido.ppt
Filtros F30751_52_53_54 (comprimido).ppt
Filtros F30761_62_63_64 (comprimido).ppt
Manual de AFM.pdf
MO-GO-003 Manual de operacion Filtro NAP 78000 bpd.pdf
Plan Accion Filtros NAP PIA-3_Rev-A.ppt
5800-000-0004 - REV L - OXY Media Filter System.pdf
De donde se extrajo información referente a los espacios para instalación, los detalles de proceso y operación aquí requeridos.
Bases de diseño:¶
Los parámetros de diseño objetivo se plantearon por el cliente cómo se indica a continuación. Estos se usaron como referencia para el desarrollo de este proyecto.
Tamaño de párticula a filtrar¶
En el plan de acción del cliente se plantea el objetivo de filtrar hasta el 95.02% de partículas de mas de 5 micras, para lo que la velocidad ideal será de 20 m/h (Figura siguiente).
Para párticulas de más de 5 micras |
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Velocidad óptima |
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Comparación de rendimientos |
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Llenado y retrolavado¶
La siguinete tabla presenta una guía respecto al relleno requerido para un filtro horizontal sin floculación. Adicionalmente, la misma figura indica la velocidad de retrolavado necesaria que con el complemento de la figura posterior permite obtener el volumen de expansión a manejar en el diseño del filtro.
En resumen se recomienda una velocidad de retrolavado mayor a los 45 m/h y un volumen de expansión de aproximadamente 20%.
Recomendación porcentajes por cada grado |
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Curva % de expansión en filtro vs velocidad |
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Espacio disponible¶
Los anteriores valores implican que se diseñen filtros de mayor tamaño que los actuales pods. Estos pods tienen actualmente 2 recipientes horizontales correspondientes a; un prefiltro de 24in de diámetro que descarga sobre; un filtro de 36in de diámetro y 144in de longitud.
El nuevo diseño implica el reemplazo del pod mencionado por un sólo filtro cilíndico horizontal de mayor diámetro y por lo tanto mayor capacidad de filtrado. El tamaño máximo de este equipo estará limitado por el espacio disponible para una operación tan cómoda cómo la del filtro existente.
Levantamiento en campo |
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Tamaño del filtro y caída de presión¶
Teniendo en cuenta las premisas anteriores y el espacio disponible se procede a definir el tamaño del filtro a construir y a calcular la caida de presión esperada a través de este.
Las premisas del diseño se resumen a continuación:
Variable |
Valor de diseño |
Rango |
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|---|---|---|---|---|
Tamaño de partícula mínimo a filtrar |
5 micras |
95.02% |
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Velocidad fluido en filtración |
20 m/h |
<= 20m/h |
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Velocidad fluido |
45 m/h |
> 45 m/h |
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Volumen para expansión |
20% |
>= 20% |
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Ancho disponible |
81in |
< 81in |
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Altura disponible para mantener distancia entre bridas |
64.5 |
< 64.5in |
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Grado del relleno |
Grado 3 |
Grado 2 |
Grado 1 |
Grado 0 |
30% |
10% |
40% |
20% |
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En la siguiente tabla se revisan opciones para el diseño del nuevo filtro. Se generan opciones dentro de los rangos posibles. Empezando por el filtro actual de 36[in] de diámetro y 144[in] de longitud y terminando con uno de 60[in] de diámetro y 144[in] de largo.
Se presentan los siguientes resultados destacables a prtir de la tabla anterior:
A mayor diámetro menor es la velocdad de filtraciòn (Velocidad transversal Teórica) pero en ninguno de los 4 casos esta es menor de los 20m/h.
El filtro de mayor tamaño (66in de diámetro) supera la altura disponible entre bridas. Esta opción sería posible modificando las distancias de las tuberías de entrada y/o salida del mismo.
En las columnas resaltadas en azul y en verde se calculan las alturas disponibles para la superficie filtrante y el volumen de expansión. La tabla azul muestra valores teóricos, en los que la altura del lecho se determina por la caida de presión admisible de acuerdo con la ley de Darcy y la altura para expansión se fija en el 20% del volumen del recipiente.
En la columna en verde se estableen valores reales de las alturas del medio filtrante que cumplen con la geometría del cilindro y en ningùn caso superan la caida de presión límite de 20psi.
Con base en los anteriores resultados se definió con SierraCol diseñar un equipo de 60[in] x 144[in], que aunque no cumple con con todas las premisas de diseño es una opción realista y cercana a los criterios previstos.
La caída de presión esperada en el medio filtrante será de 10 psi aproximadamente.
Opciones |
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La caida de presión a traves del lecho filtrante se basa en la siguiente tabla del proveedor de este material.
LTomado del manual de AFM |
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Por lo tanto, para un lecho limpio de 1m de altura se esperan 3.5psi que aumentarán con su uso hasta el valor del set point del equipo para iniciar el retrolavado.