Modelação Física de Separador Água-Aceite

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E 
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA Y MATERIALES 
 
 
 
MODELACION FISICA DE UN SEPARADOR 
 AGUA‐ACEITE 
 
TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE  
INGENIERO  EN METALURGIA Y MATERIALES 
 
PRESENTA: 
 
ESCAMILLA RESENDIZ CLAUDIA 
 
DIRECTORA DE TESIS: 
 
               DRA. MANUELA DIAZ CRUZ 
 
 
“LA TECNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA”
Índice 
 
ÍNDICE 
  Página
 
INTRODUCCIÓN 
 
Introducción  1
 
Justificación  2
 
CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES 
 
 
1.1 Aspecto teórico  4
 
1.1.1 ¿Qué es la separación?  8
 
1.1.2 Definición de Separador  8
 
1.1.3 Proceso de separación en Separadores 9
 
1.1.4 Dispositivos de los separadores 11
 
1.1.5 Clasificación de los separadores 12
 
1.1.6 Funcionamiento de un Separador Horizontal 15
 
1.1.7 Separadores Agua‐Aceite  17
 
1.1.8 Importancia de un Separador Agua‐Aceite 18
 
1.1.9 Comportamiento del flujo en el separador. 19
 
1.1.10 Curvas de Distribución de Tiempos de Residencia (DTR) 21
 
1.2 Modelación física  24
 
1.2.1 Principios de la modelación física 25
 
1.2.2 Criterios de similitud  25
 
 
CAPÍTULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL
 
2.1 Diseño del modelo  27
 
2.2 Emulsión agua aceite  32
 
2.3 Descripción del equipo experimental 33
 
2.4 Placa modificadora de flujo  34
 
2.5 Casos de estudio  36
 
2.6 Procedimiento Experimental para la obtención de la curva DTR tipo C 37
 
 
 
Índice 
 
 
CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
 
3.1  Resultados  y  análisis  de  resultados  de  la  caracterización  del  flujo  del  fluido  dentro  del 
separador y la eficiencia de separación
38
 
 
CONCLUSIONES  50
 
 
BIBLIOGRAFIA  52
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lista de Figuras 
LISTA DE FIGURAS 
   
Figura 1.1  Secciones de un separador horizontal convencional
   
Figura 1.2  Esquema de un separador esférico, separador vertical, separador horizontal 
   
Figura 1.3  Funcionamiento del separador horizontal
   
Figura 1.4  Reactor en flujo pistón
   
Figura 1.5  Reactor en mezcla perfecta
   
Figura 1.6  Formación del vórtice. 
   
Figura 1.7  Formas de realizar la perturbación utilizando un trazador
   
Figura 1.8   Representación de la curva  F
   
Figura 1.9  Representación de un curva E o de edades
   
Figura 1.10  Representación de una curva C
   
Figura 2.1   Dimensiones del modelo físico del separador horizontal.
   
Figura 2.2  Equipo experimental  
   
Figura 2.3  Placa modificadora de flujo
   
Figura 2.4  Orientación de las partículas de aceite a la superficie
   
Figura 3.1  Curva C de  los casos 1,2,3 y 4 para la salida de agua.
   
Figura 3.2  Curva C de  los casos 1,2,3 y 4 para la salida de aceite
   
Figura 3.3  Imágenes caso 1 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
   
Figura 3.4  Imágenes caso 2 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
   
Figura 3.5  Imágenes caso 3 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
   
Figura 3.6  Imágenes caso 4 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
   
Figura 3.7  Muestras de agua y aceite en embudos de separación.
   
Figura 3.8  Curva C de los casos para la salida de agua
   
Figura 3.9  Curva C de los casos para la salida de aceite
   
Figura 3.10  Imágenes caso 5 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
   
Figura 3.11  Imágenes caso 6 (a) 5 segundos (b) 10 segundo (c) 15 segundos después de la inyección 
de trazador 
 
 
Lista de tablas  
LISTA DE TABLAS 
   
Tabla 2.1  Condiciones de reales de un separador
   
Tabla 2.2  Características y condiciones de trabajo del modelo
   
Tabla 2.3  Dimensiones del modelo de acuerdo a la Figura 2.1
   
Tabla 2.4  Comparación entre los parámetros de flujo de operación y experimentación 
   
Tabla 2.5  Casos de estudio, primera etapa
   
Tabla 2.6  Casos de estudio, segunda parte de la experimentación
   
Tabla 3.1  Características de flujo para la salida de agua casos 1,2,3 y 4
   
Tabla 3.2  Características de flujo para la salida de aceite casos 1,2,3 y 4
   
Tabla 3.3  Porcentajes de agua y aceite obtenidos en cada una de las salidas.
   
Tabla 3.4  Comparación entre el número de Reynold para el prototipo y el modelo. 
   
Tabla 3.5  Características de flujo para la salida de agua caso 5 y 6
   
Tabla 3.6  Características de flujo para la salida de aceite caso 5 y 6
   
Tabla 3.7  Cantidad y porcentaje de agua y aceite reportadas para el caso 5
   
Tabla 3.8  Cantidad y porcentaje de agua y aceite reportadas para el caso 6
 
 
 
 
 
 
 
 
Nomenclatura  
 
NOMENCLATURA 
   
   
f  Factor Escala 
   
µ  Viscosidad absoluta del medio liquido a la temperatura de operación 
   
Df  Resistencia al movimiento de la partícula en medio liquido
   
Dm  Diámetro del modelo
   
Dinicial  Diámetro inicial del modelo
   
Dfinal  Diámetro inicial del modelo
   
Gastom  Gasto de entrada del modelo
   
Linicial  Longitud inicial del modelo
   
Lfinal  Longitud inicial del modelo
   
Lm  Longitud del modelo 
   
                Nf  Número de Fraude 
   
N Re  Numero de Reynolds
   
N We  Numero de weber 
   
Vinicial  Volumen inicial del modelo
   
Vm  Volumen del modelo
   
vm  Velocidad de flujo del modelo
   
νp  Velocidad de flujo del prototipo
   
Vt  Velocidad de ascenso de la partícula
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
 
 
 RESUMEN 
 
 
 
Para  efectuar  la  separación  de  los  hidrocarburos  (que  en  su mayoría  contienen 
agua) se realizó la modelación de un separador en acrílico, enfocándose principalmente al 
comportamiento  del  fluido  (Curvas  DTR)  y  de  esta  manera  establecer  los  principales 
fundamentos para el diseño de separadores con  los cuales se puedan  llevar a cabo una 
serie  de  investigaciones  para  obtener  un  mejor  desempeño  en  la  operación  de  los 
separadores agua‐aceite.  
 
El equipo experimental consta de un modelo de con un espesor de 5 mm acrílico de un 
separador de agua‐aceite. Como dispositivo modificador de  flujo  se utilizó una placa de 
acrílico con orificios de 3mm de diámetro y una inclinación de 45o. La posición de la placa 
modificadora de flujo fue la principal variable en la realización de los experimentos.  
 
Se utilizó una mezcla de agua aceite con una relación del 5% de aceite por cada  litro de 
agua. El modelo cuenta con una salida de agua y otra de aceite, para  la  recolección del 
fluido.  
 
El mecanismo de  trabajo de  la modelación en acrílico  fue  introducir  la emulsión  (agua y 
aceite) al interior del modelo promoviendo la separación mediante el acondicionamiento 
de placas modificadoras de flujo. 
 
De esta manera se analizó el comportamiento del flujo y la eficiencia de separación para el 
modelo  de  acrílico.  Encontrándose  que  el  diseño  de  la  placa modificadora  es  la  parte 
fundamental para la separación del agua‐aceite.  
 
Introducción 
 
1 
 
 
              INTRODUCCION 
 
El flujo que se obtiene de un yacimiento petrolífero, por  lo general, es multifásico (dos o 
más fases). La separación física de estas fases es una de las operaciones fundamentales en 
la producción, procesamiento y tratamiento de hidrocarburos.  
 Los fluidos que se generan son, en su mayoría, mezclas complejas de hidrocarburos, agua, 
partículas  de  arena  y  contaminantes.  En  el  recorrido  desde  el  yacimiento  hasta  las 
instalaciones  superficiales  se  reducen  la  presión  y  la  temperatura  de  estos  fluidos, 
haciendo posible la separación de fases de los hidrocarburos en estado líquido.  
Para diseñar separadores es necesario tomar en cuenta  los diferentes estados en que se 
pueden  encontrar  los  fluidos  y  el  efecto  que  sobre  éstos  tengan  las  distintas  fuerzas 
físicas.  El propósito principal del proceso es  separarlos diversos  componentes    (crudo, 
gas, agua y contaminantes), con el fin de optimizar el procesamiento y comercialización de 
algunos de ellos (crudo, gas, etc.).  
Comúnmente  en  la  industria  del  petróleo  se  habla  de  tres  fases  cuando,  además  del 
petróleo o de los líquidos que se condensan del gas natural,  se separan otros líquidos de 
naturaleza diferente, por ejemplo el agua. 
 
Durante  los  últimos  años  la  tecnología  ha  introducido  variantes  en  el  diseño  de 
separadores  que  conducen  a  incrementar  la  capacidad  de  las  unidades,  mientras  se 
reduce el tamaño y el peso de los equipos. 
Sin embargo, actualmente existe una serie de problemáticas en la separación del crudo y 
del agua, ya que no se logra eliminar el agua al 100%, es por eso que se vuelve necesaria 
realizar una investigación a fondo para establecer parámetros que aumenten la capacidad 
de operación en la totalidad de las instalaciones.   
Introducción 
 
2 
 
De  la misma  importancia, que  la  separación, es  conocer el efecto que  tiene el  flujo de 
fluidos  dentro  del  separador,  es  decir,  las  consecuencias  que  directamente  afectan  al 
funcionamiento de  los  separadores. Hasta ahora  se ha  supuesto que  la  corrosión es un 
efecto  dependiente  del  comportamiento  del  flujo,  y  es  dentro  del  separador  donde  se 
llevan los daños más irreversibles causados por la corrosión. 
Estos inconvenientes han tenido un reducido campo de estudio, ya que no se ha puesto el 
interés máximo a  la efectividad    tanto en  flujo de  fluidos como en el diseño del mismo, 
provocando  que  disminuya  la  calidad  de  separación  y  el  tiempo  de  vida  de  los 
separadores. 
 
JUSTIFICACIÓN. 
 
La  idea  de  estudiar  el  proceso  de  separación  de  agua‐aceite  en  los  separadores 
industriales  se ha visto en problemas cuando  se  tiene  la obligación de parar el proceso 
para resolver  los  inconvenientes que se generan dentro del separador, y de esta manera 
se  generen  perdidas  de  producción  e  incluso monetarias.  Es  por  eso  que  uno  de  los 
principales  objetivos  de  la  modelación  física  es  evitar  que  muchos  procesos  sean 
detenidos para estudiar su complejidad. 
La realización del modelo físico de un separador bifásico no ha tenido hasta el momento 
un historial  informativo que permita basarse en parámetros específicos en diseño de  los 
separadores modificadores de flujo y el comportamiento de la dinámica de fluidos. 
Por otra parte la necesidad de obtener hidrocarburos cada vez más limpios de impurezas, 
tales  como  el  agua,  se  ha  vuelto  indispensable  para  la  industria  de  la    extracción  de 
petróleo. 
En  consecuencia  a  lo  anterior  esta  investigación  se  enfoca  al  diseño  y  la mejora  en  la 
eficiencia de separación de agua y aceite. 
Introducción 
 
3 
 
OBJETIVO GENERAL: 
Analizar y evaluar el comportamiento de la separación de fases en una mezcla agua‐aceite 
mediante modelación física de un separador bibásico horizontal. 
OBJETIVOS PARTICULARES: 
• Estudiar  el  patrón  de  disociación  de  las  fases  agua  y  aceite  en  un  separador 
bifásico. 
• Caracterizar  la  calidad  del  fluido  (volumen  pistón,  volumen  mezcla  y  volumen 
muerto). 
• Cuantificar  la cantidad de agua y aceite recuperable. 
• Determinar el efecto de las placas modificadoras de flujo en la separación de agua‐
aceite. 
 
 
 
 
 
 
 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
4 
 
 
Capítulo 1 
       ANTECEDENTES 
 
 
En este  capitulo  se darán  a  conocer  los  aspectos  teóricos que  tienen  relación  con esta 
investigación,  los  métodos  utilizados  para  la  modelación  física,  así  como  el  
comportamiento del flujo dentro del modelo estudiado en este trabajo. 
1.1 ASPECTOS TEÓRICOS 
Durante  los  últimos  años  la  tecnología  ha  introducido  variantes  en  el  diseño  de 
separadores  que  conducen  a  incrementar  la  capacidad  de  las  unidades,  mientras  se 
reduce el tamaño y el peso de los equipos. 
Antes del  año 1925[1]  la  separación de hidrocarburos  se  consideraba una operación  sin  
importancia, ya que era frecuente ver que el crudo se pasaba directamente de la boca de 
los pozos a los tanques de almacenamiento descubiertos a la atmosfera, sin embargo,  se 
observó que al hacer pasar el aceite por un aditamento para la separación, se obtenía un 
mayor  rendimiento,  teniendo  un  aceite  de  mayor  porcentaje  de  gasolinas.  La  razón 
principal que condujo a  la separación de  los hidrocarburos  fueron  los problemas que se 
presentaron al tener dos fluidos con características y  comportamientos diferentes en los 
mismos  sistemas de  recolección,  transporte  y almacenamiento, para  lo  cual  se  creo un 
dispositivo mecánico llamado SEPARADOR. 
La separación se puede  llevar a cabo de diferentes maneras, dependiendo de  la  fase en 
que se encuentren  los cuerpos a separar, así es posible encontrar medios de separación 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
5 
 
muy antiguos, pero no por eso menos eficientes. En  los procesos a  los que se somete  la 
mezcla de hidrocarburos desde que  llega a  la  superficie hasta que  se encuentran como 
productos ya refinados, la separación de aceite y gas es la primera separación básica en el 
campo; como es de saberse  la mezcla de hidrocarburos no solamente contiene aceite y 
gas, si no que también agua,  la cual es necesario de  igual manera   hacer una separación 
para dejar “agua libre”. 
Con  todo y ser una  tarea ordinaria, dicha operación es una de  las que  requieren mayor 
atención para obtener una utilidad y separación optimas, debido a que su análisis es muy 
complejo, ya que comprende un gran numero de factores. 
El  primer  diseño  de  un  separador  consistió  en  un  tubo  de  18“de  diámetro,  que  se 
aseguraba a  la  torre de perforación  y al  cual  llegaba  la mezcla de hidrocarburos por  la 
parte  superior,  descargándolo  por  la  parte  inferior.  Los  primeros  separadores 
normalmente se  instalaban en  la boca del pozo, pero para mayor eficiencia, seguridad y 
facilidad en su inspección se agrupaban en el centro del campo de exploración [1].  
A través del tiempo el equipo se ha  ido perfeccionando y en  la actualidad se cuenta con 
separadores más eficientes y con sistemas con mayor  control de descarga. 
Uno de  los separadores que se han diseñado para  la separación de agua‐aceite es el que 
utiliza  hidrociclones,  esto    permitió  que  la mezcla  tenga menor  tiempo  de  residencia 
dentro del dispositivo, lo cual dio como resultado los siguientes beneficios: 
• Permite operar con  niveles de agua mayores. 
• El  diseño  flexible  permite  que  este  dispositivo  actúe  como  un  separador  de 
primera etapa, es decir que la mayor parte de hidrocarburos son recolectados a la 
primera operación. 
• Tiempos de residencia más cortos que los demás separadores convencionales. 
Las unidades ciclónicas hacen uso del vorticismo como método para lograr la separación, 
con  este  fin,  se  ha  construido  un  tubo  capaz  de  hacer  rotar  la  mezcla  que  llega  al 
separador para separar las fases liquida y líquida (agua‐aceite)[2].   
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
6 
 
La empresa   FULLGAS de origen Española diseñó un separador agua aceite, avalados por  
los  dos  mayores  laboratorios  de  Europa:  L.G.A  Wurzberg  y  C.S.T.B  Nantes.  Estos 
separadores  tienen  la característica de estar hechos de poliéster  reforzado con  fibra de 
vidrio,  a  lo  cual  se  puede  aunar  su  fácil  transporte  e  instalación  sin  necesitar  de 
maquinaria pesada.[3] 
Otro trabajo dedicado a  los separadores de agua y aceite fue realizado por   John S. Eow, 
Mojtaba Ghadiri y Abel O. Sharif, quienes hicieron unmodelo de separador en donde el 
agua se desprendía del aceite mediante separación electrostática e hidrodinámica. En este 
trabajo  se  usa  un  separador  electro  coalescente,  aplicando  un  campo  eléctrico  para 
realzar  perceptiblemente  las  gotas  de  agua  de  un  aceite  viscoso  que  fluye  en 
concentraciones muy bajas dentro de  la fase dispersa. Los resultados obtenidos con este 
separador, fue que la eficiencia de la separación depende del aumento del diámetro de las 
gotas, puesto que ha gotas con diámetro mayor se puede provocar un corto circuito.[4] 
El  Steel Tank  Institute diseñó un  tanque para  la  separación de  agua‐aceite mediante  la 
diferencia de densidades. Este separador se creó para  la disociación de hidrocarburos no 
emulsionados, es decir, aceites de motor, aceites ligeros y productos del petróleo con una 
gravedad  específica  de  1.  Las  ventajas  de  este  separador  son  que  retarda  el  flujo  y 
disminuye  la turbulencia del  flujo entrante,  la  interacción de este movimiento  junto con 
las  fuerzas que  se   ejercen, hacen que por   coalescencia  se  separe el  flujo,  formándose 
gotas de aceite que emergen hasta la superficie y ahí se acumulan, el agua limpia sale del 
separador por debajo del nivel de salida para el aceite. 
Lo que hace a este separador diferente a los demás es que,  esta disponible para flujos con 
rangos menores a 5 ppm, tiene la opción del diseño de  doble pared que ofrece la utilidad 
de un contenedor secundario, contiene sensores de nivel  y controles de seguridad, es un 
tanque protegido contra corrosión y avalado por la STI Estándar.[5] 
La  compañía  Complex  Flow    Desing  SA,  dedicada  a  la modelación  física  y  simulación 
matemática de diferentes procesos,  realizó una  investigación  acerca del mecanismo de 
separación de hidrocarburos mediante 3D‐Flow de CFD (Computational Fluids Dinamics), 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
7 
 
en el cual se simulan los efectos dinámicos de los fluidos en un separador que trabaja por  
gravedad,  es  decir,  maneja  el  mecanismo  de  diferencia  de  densidades,  mediante 
diferentes ecuaciones de estado. Para que  se analizará  todo el  separador  fue necesario 
dividirlo en tres partes, pero con la misma cantidad de fases (agua‐aceite), los resultados 
obtenidos de este programa fueron: 
• Modificaciones   en el diseño de  la entrada del separador, con el fin de mejorar  la 
uniformidad del flujo. 
• Versatilidad para modificar  las condiciones del separador cuando se encuentra en 
funcionamiento. 
• Mayor influencia de los dispositivos internos en el proceso de separación.[6] 
 
La compañía Breetwood Industries del  Water Technology Group,  diseñó un separador de 
agua  y  aceite  con  una  placa  paralela  al  separador,  que,  según  los  investigadores  de  la 
compañía permite una mejor  separación entre las fases, ya que la placa paralela permite 
un aumento del área superficial horizontal del separador permitiendo que haya un  flujo 
menos turbulento, esta placa atrapa y remueve el aceite de  la gota mas pequeña que se 
encuentra  en  el  flujo. Como  resultado  de  la  adición  de  la  placa  se  obtuvo  que  el  flujo 
Saliente de este  tipo de  separadores  tiene un 60% de aceite   menos que un  separador 
convencional.[7] 
Por otra parte, American Petroleum Institute (API), diseño un separador convencional tipo 
gravedad,  el  cual  funciona  con  la  misma  similitud  que  los  anteriores,  pero  con  la 
desventaja de no poder  recuperar  la cantidad de aceite necesaria, aumentando de esta 
forma  los  costos  de  operación,  ya  que  se  tiene  que  utilizar  una  batería  de  varios 
separadores, para que en la ultima operación se logre separar la mayor cantidad de aceite. 
Una de las mejoras hechas al separador consiste en  la instalación de placas paralelas a lo 
largo de la cámara de separación, en dirección del flujo. Posteriormente con la experiencia 
de la modificación anterior, se desarrollo un nuevo sistema a base de placas corrugadas. El 
separador de placas corrugadas se coloca con cierto ángulo de inclinación en dirección del 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
8 
 
flujo,  guardando  una  distancia  corta  entre  las  placas.  Este  separador  ofrece  mayor 
eficiencia en la remoción de aceite.[8] 
Un sistema más eficiente que  los antes mencionados es el separador es el separador de 
placas coalescentes, ya  que combina dos procesos: separación por diferencia de gravedad 
específica y acción coalescente. 
1.1.1 ¿Qué es la separación? 
La SEPARACION es un  proceso físico por medio del cual se pueden obtener las diferentes 
fases  que  componen  una  corriente  de  hidrocarburos  a  condiciones  de  presión  y 
temperatura ambientes.[9] 
En  la  industria  petrolera  se  conocen  diferentes  dispositivos  de  almacenamiento,  un 
ejemplo  de  tales  dispositivos  son  los  separadores,  que  como  su  nombre  lo  indica  se 
encargan de  separar  los  componentes de una  corriente bifásica, es decir,  liquido‐gas o 
liquido‐aceite. 
1.1.2 Definición de separador. 
En  la  industria del petróleo, un separador es un dispositivo mecánico de forma cilíndrica 
de acero que por  lo general  se utiliza para disgregar  la mezcla de hidrocarburos en  sus 
componentes  básicos,  petróleo  y  gas.  Adicionalmente,  el  recipiente  permite  aislar  los 
hidrocarburos de otros componentes indeseables como la arena y el agua. 
Un separador convencional debe tener las siguientes características de diseño: 
1. Disminuir  la  velocidad  de  flujo  de  la  mezcla  para  permitir  la  separación  por 
gravedad de los diferentes componentes de la misma. 
2. Estar equipado con una salida superior para gas o vapores, una salida inferior para 
líquidos y un orificio de limpieza en el fondo. 
3. Contar con un control de nivel que opere  la válvula para  la salida de  liquido, una 
válvula de seguridad en la parte superior, al igual que un manómetro indicador de 
presión.[1] 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
9 
 
Un  separador  se  usa  principalmente  para  separar  los  componentes  de  una  corriente 
combinada. 
1.1.3  Proceso de separación en tanques separadores. 
En  la figura 1.1   se muestra  las diferentes secciones y el funcionamiento de cada sección 
para que la operación de un separador bifásico sea eficaz. 
1. Sección de separación primaria 
2. Sección de separación secundaria 
3. Sección de extracción de niebla. 
4. Sección de acumulación de líquidos 
 
A continuación se da una explicación de cada una de las secciones anteriores. 
1. Sección de Separación Primaria. 
Esta  sección  es  para  remover  el  volumen  del  líquido  en  la  corriente  de  entrada,  los 
líquidos viscosos y las partículas son inicialmente removidos para la turbulencia del flujo y 
retener  el  líquido  para  la  preparación  del  segundo  paso  de  separación.  Para  esto, 
usualmente  es  necesario  absorber  el momentum    y  el  cambio  de  dirección  del  flujo 
mediante alguna forma de obstáculos, por ejemplo colocando bafles o placas de choque 
en  la entrada del separador. En esta sección es en donde se separan grandes cantidades 
de líquidos. 
2. Sección de Separación Secundaria. 
En esta sección se separa la mayor cantidad de gotas de líquido de la corriente que entra. 
Las gotas se separan por gravedad; debido a esta condición, la turbulencia del flujo debe 
ser mínima, es por esto que se necesita que el separador  cuente con suficiente longitud. 
En algunos diseños se utilizan rectificadores de flujo para reducir aún más  la turbulencia, 
sirviendo al mismo tiempo como superficies colectores de gotas de líquidos. 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
10 
 
La eficiencia de esta seccióndepende principalmente de  las propiedades físicas del flujo, 
en concreto, la diferencia de densidades. 
3. Sección de Extracción de Niebla. 
En esta sección se separan  las gotas mas pequeñas de  líquido del flujo de gas que no se 
lograron eliminar en las secciones anteriores del separador, utilizando el efecto de choque  
como mecanismo de separación. 
4. Sección de Acumulación de Líquidos. 
En   esta sección se almacena y descarga el  líquido separador de  la corriente de gas. Esta 
parte del separador debe tener la capacidad suficiente para permitir una sobre carga y dar 
el  tiempo  de  retención  necesaria  para  una  separación  eficiente  del  gas.  Además  debe 
tener  la  instrumentación necesaria para controlar el nivel de  líquido en el separador que 
consiste en un control de nivel de líquido formado por un piloto y una válvula motora. 
La sección de acumulación de  líquidos debe estar situada en el separador   de  tal  forma 
que  el  líquido  acumulado  no  pueda  ser  arrastrado  por  la  corriente  de  gas  que  fluye  a 
través del separador. 
 
Figura 1.1. Secciones de un separador horizontal convencional 
El principio fundamental de los separadores es aprovechar las caídas de presión, choques, 
cambios  de  velocidades  y  expansiones  produciendo  una  decantación,  es  decir  la 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
11 
 
separación  de  un  líquido  y  un  sólido,  o  de  dos  líquidos  inmiscibles,  aprovechando  la 
gravedad. 
1.1.4  Dispositivos utilizados en los separadores. 
Por lo general los separadores tienen una serie de accesorios integrados necesarios para: 
1. Proteger al equipo y al personal de fallas originadas por causas imprevistas. 
2. Indicar visualmente las condiciones de operación del separador. 
3. Mantener un control automático de las condiciones de operación que se requieren 
en el separador. 
 
Los principales dispositivos de seguridad con que cuenta un separador son:  
• Válvulas 
• Válvulas de alivio 
• Manómetros 
• Nivel óptico 
• Válvula controladora de nivel 
• Controlador de presión 
 
El controlador de presión y la válvula controladora de nivel son una parte muy importante 
dentro del proceso de separación, su objetivo es mantener  la presión  fija a  la que debe 
llevarse  a  cabo  la  separación.  Estas  válvulas  (controladora  de  nivel  y  presión)  son 
frecuentemente utilizadas en  la  separación de hidrocarburos. Su  función es controlar el 
nivel de líquido dentro del separador. 
El controlador esta integrado por la válvula y el piloto, esta válvula se coloca en el tubo de 
descarga  del  líquido  y  efectúa  la  función  de  impedir  o  permitir  la  salida  de  aceite  del 
separador. Esta  válvula  se acciona por medio de un piloto  (flotador) de acuerdo  con el 
nivel de aceite dentro del separador.[1] 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
12 
 
1.1.5  Clasificación de los separadores. [12] 
Los separadores se clasifican por su: 
Forma 
1. Esféricos 
2. Verticales 
3. Horizontales 
Función 
‐Bifásicos 
‐Trifásicos 
Tomando en cuenta la presión de separación los separadores se dividen en: 
• SEPARADORES DE MEDIA PRESIÓN:   4.6‐12 Kg/cm2 
• SEPARADORES DE BAJA PRESIÓN:      0.5‐4.5 Kg/cm2 
 
Se acostumbra  designar como separadores convencionales a los separadores bifásicos en 
cualquiera de sus tres tipos. A continuación se da una breve explicación de cada unos de 
ellos. 
1. Separadores  Esférico 
La  figura  1.2  es un  esquema de un  separador  esférico.  En  este  tipo de  separadores  se 
pueden encontrar las mismas secciones  que en los separadores anteriores.  
Los  separadores esféricos  son un  caso especial de un  separador  vertical, donde no hay 
armazón cilíndrica entre  las dos  tapas. Pueden  ser muy eficientes debido a que pueden 
mantener una determinada presión, pero no son usados en los campos petroleros por las 
siguientes razones. 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
13 
 
• Poseen una limitada capacidad para la agitación del liquido 
• Presentan dificultades en su fabricación. 
 
2. Separadores Verticales 
La  figura 1.2 es un esquema de un separador vertical. Este  tipo de separadores pueden  
manejar más líquidos que los separadores horizontales. Su gran capacidad para almacenar 
líquidos hace que su aplicación sea más eficiente para  los casos en  los que se presentan 
llegadas  de  líquido  intermitentes  como  en  los  pozos  que  están  en  producción  por 
inyección  de  gas. Debido  a  su  diseño  vertical,  este  tipo  de  separadores  tiene  ventajas 
considerables  cuando el  flujo  contiene  lodos  y  arenas,  ya que estos  se depositan en el 
fondo y es más fácil drenarlos para su limpieza. 
La  forma  vertical  facilita el montaje   de una batería  compuesta por  varios  separadores  
cuando el espacio con el que se cuenta es limitado. 
Ventajas 
• Se  pueden  utilizar  fluidos  con  alto  contenido  de  lodo,  arena  o  cualquier  otro 
material sólido. 
• Máximo control del nivel de líquido. 
• Se  pueden  realizar  modificaciones  a  los  componentes  externos  (válvulas), 
permitiendo mayor tiempo de operación y agitación de los fluidos.  
• Ahorro de espacio. 
Desventajas 
• Son más costosos que los horizontales. 
• Su instalación es complicada. 
• Se necesita un diámetro mayor que el de  los horizontales para manejar  la misma 
cantidad de gas. 
• La válvula de seguridad y algunos controles pueden ser difíciles de operar si no se 
cuenta con escaleras y plataformas especiales. 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
14 
 
• Es imposible proporcionarle a estos equipos patines para su ágil traslado. 
3. Separadores horizontales 
La  figura  1.2  es  un  esquema  de  un  separador  horizontal.  Son  los  separadores  más 
económicos   cuando se pretende manejar grandes volúmenes de  fluidos. Generalmente  
los  separadores horizontales operan a un  tercio de  su diámetro para maximizar el área 
superficial de la interfase agua‐ aceite. 
La  inspección y reparación de dispositivos de seguridad montados sobre el separador se 
puede hacer desde el piso. 
Ventajas y desventajas de un separador horizontal. 
Estos separadores son normalmente más eficientes para manejar volúmenes mayores de 
gas. En  la sección de asentamiento por gravedad del separador,  las partículas de  liquido 
caen  de manera  perpendicular  al  flujo,  de  esta manera  son mas  fácilmente  asentadas 
fuera  de  la  fase  de  gas.  También  el  área  de  interfase  es más  grande  en  un  separador 
horizontal, esto permite que  las gotas de gas  se  separen de  la mezcla a medida que el 
líquido se va acercando al equilibrio. 
Ventajas 
• Tienen mayor capacidad para manejar gas 
• Son económicos 
• Existe mayor facilidad en su instalación 
• Son mas adecuados para manejar aceite 
• El área de interface 
 
Y como en todos los procesos existentes vamos a encontrar desventajas, a continuación se 
mencionaran algunas para el separador horizontal. 
 
 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
15 
 
Desventajas 
• No son adecuados para manejar flujos de pozos que contienen materiales sólidos 
como arena o lodo, ya que esto incrementa la dificultad para limpiar el separador; 
por lo tanto es necesario colocar drenes a lo largo del separador. 
• Los separadores horizontales requieren más área de  instalación, esto  impide que 
estos  separadores  sean  utilizados  en  plataformas  en  donde  se  cuenta  con  un 
espacio limitado. 
• El control de nivel de líquido es  mas critico, debido a la geometría de un separador 
horizontal,  cualquier  nivel  alto  ocasiona  que  el  control  de  nivel  se  cierre  para 
mantenerse dentro de un nivel normal de operación. 
           
Figura1.1 a                  Figura 1.1 b 
   
Figura 1.1 c 
Figura 1.2 esquema del separador: a) esférico, b) vertical y c) horizontal 
1.1.6  Funcionamiento de un separador horizontal [1] 
Dado que esta tesis esta basada en la separación agua‐aceite en un separador horizontal a 
continuación se explicará el funcionamiento de un dispositivo con esta geometría.  
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
16 
 
El funcionamiento de un separador horizontal se muestra de acuerdo al corte longitudinal 
como se muestra en la figura 1.3. 
La mezcla  (emulsión) entra por  la brida de carga  (A) para posteriormente chocar con  la 
placa de  impacto en donde el  flujo perderá gran parte de su  fuerza  (B). En esta placa el 
fluido  sufre una  separación preliminar, debido a  la perdida de presión y el movimiento 
arbitrario del fluido. 
Posteriormente el flujo pasa por la zona de retención de líquidos (C) al pasar por esta zona 
se forman grandes gotas que escurren al fondo, o bien son impulsadas en la corriente para 
caer al  fondo por gravedad. También da  lugar a  la  formación de gotas alargadas de  fina 
película que al desprenderse y tomar la forma esférica se rompen en su mayoría. 
La caída de partículas finas liquidas originadas por la dispersión del fluido al momento de 
coalescer,  provoca  una  disminución  de  velocidad  y  una  caída  de  presión.  Cabe  hacer 
mención que  coalescencia es  la acción mediante  la que  las partículas en  suspensión de 
una mezcla se unen para formar gotas, haciendo una separación. 
Estos  dos  últimos  factores,  fundamentalmente  asistidos  por  la  fuerza  de  gravedad  se 
presentan durante todo  lo  largo del separador, haciendo el trabajo para el que este  fue 
diseñado. 
Los líquidos que se forman se escurren hacia la parte inferior o al fondo del separador. Por 
ultimo se 2 placas selectoras  (D), destinadas para conseguir que el aceite se mueva mas 
rápidamente hacia su salida, pasando por encima de ellas. 
 
 
Figura 1.3 Funcionamiento del separador horizontal. 
A
B
C
D
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
17 
 
1.1.7  Separadores agua‐aceite. Ley de Stokes. 
La mayoría  de  los  separadores  son  diseñados  para  separar  aceite  y  gas,  sin  embargo 
existen casos en donde es necesario separar del crudo el agua que se  filtra, ya que este 
elemento  es  nocivo  para  la  calidad  del  hidrocarburo.  Por  lo  tanto  el  mecanismo  de 
separación  para un separador horizontal que trabaja con aceite y gas es prácticamente el 
mismo que uno que trabaja con la separación de agua‐aceite, es decir, el funcionamiento 
es el mismo lo único que cambia es el tipo de flujo. 
La función principal de un separador aceite‐agua es la de remover aceite contaminante del 
agua  de  desecho  de  las  industrias  petroleras,  sin  embargo,  como  cualquier  equipo  de 
sedimentación  el  separador  presenta  condiciones  adecuadas  para  remover  sólidos  en 
suspensión,  que  serán  sedimentados  conjuntamente  con  la  separación  del  aceite  en  el 
influente.[13] 
La  eficiencia  de  separación  operando  a  una  velocidad  de  flujo  dada  depende  de  la 
temperatura del agua, de  la densidad y  tamaño de  las partículas de aceite, así como  la 
cantidad y características de la materia suspendida. 
 Para que un separador de agua‐ aceite tenga una operación eficiente se deben manejar 
adecuadamente los siguientes factores: 
→ Características del aceite  
→ Características del flujo de agua  
→ Diseño y tamaño de la unidad 
 
Un separador cumple operativamente con dos aspectos: 
 Eliminación del aceite inmiscible en agua por diferencia de densidades 
 Retención de sólidos sedimentables,  los cuales formarán  lodos en  las partes bajas 
del separador por precipitación. 
 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
18 
 
Los principios básicos de la separación  por diferencia de densidades se fundamenta en la 
Ley de Stokes, que dice: “cuando una partícula se mueve  libremente en un  fluido y está 
sujeta a  la fuerza gravitacional,  la velocidad de ascenso o sedimentación con respecto al 
fluido llega a ser constante cuando la resistencia al movimiento se iguala al peso efectivo 
de la partícula”.[11],[10] Es decir, “ la resistencia al movimiento de una partícula en un medio 
fluido  es  igual  al  peso  efectivo  de  la  partícula  cuando  la  velocidad  terminal  ha  sido 
alcanzada”.[10]  La  ecuación  que  describe  la  resistencia  que  presenta  un  fluido  al 
movimiento de una pequeña partícula esférica en régimen laminar, según Stokes es: 
Df = 3πµVtD
 
Df =Resistencia al movimiento de la partícula en medio líquido, (dinas) 
µ= viscosidad absoluta del medio líquido a la temperatura de operación. (Cp.)(g/cm‐seg) 
Vt= velocidad de ascenso de la partícula. (cm/seg) 
D = diámetro de la partícula. (cm) 
Los  separadores  de  agua‐aceite  están  diseñados  para  que  la  separación  de  los 
componentes  se  lleve  a  cabo  por  efecto  de  la  gravedad,  es  decir,  los  componentes  de 
menor densidad permanecerán en la parte superior del contener de liquido y aquellos que 
tienen una densidad mayor fluirán por la parte inferior, la cantidad de aceite que se aparta 
del agua depende del  largo del separador ya que a mayor longitud el tiempo de retención 
es mayor por lo tanto las burbujas de aceite tendrán mas tiempo para desemulsificarse y 
subir con el resto del aceite.  
Estos separadores están diseñados para trabajar con productos derivados del petróleo con 
una gravedad especifica de menos de 1.0.[14] 
1.1.8   Importancia de un separador agua‐aceite. 
Un  separador  bifásico  horizontal  ha  servido  en  la  industria  del  petróleo,  entre  otras 
funciones, para separar agua y aceite permitiendo que los hidrocarburos queden libres de 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
19 
 
agua,  es  decir,  que  la  cantidad  de  agua  que  se  extrae  junto  con  el  crudo  durante  el 
proceso de extracción en el yacimiento sea minúscula. 
De esta manera la calidad del hidrocarburo aumenta; por lo tanto los costos de operación 
y  equipo  disminuyen,  ya  que  se  evita  transportar  el  crudo  con  la menor  cantidad  de 
elementos nocivos, que incluso pueden dañar la tubería de transporte. 
Los separadores han extendido su papel de un simple recipiente que efectúa la operación 
de separar dos o más fases por medio de la diferencia de densidades, hasta aquellos en los 
cuales ya cuentan con nuevos dispositivos que hacen que la separación sea más efectiva y 
rápida, disminuyendo de esta manera tiempo y dinero.  
 
1.1.9    Comportamiento del flujo en el separador. 
El estudio del comportamiento del fluido en el separador es complejo, ya que como en un 
sistema  real  presenta  los  dos  tipos  de  flujos  ideales:  el  flujo  pistón  y  el  de  la mezcla 
completa. 
Flujo Pistón. 
Se  caracteriza  por  el  comportamiento  ordenado,  sin  que  ningún  elemento  del mismo 
sobre pase o  se mezcle  con  cualquier otro elemento  situado antes o después de él,  tal 
como se muestra en la figura 1.4. la condición necesaria para que exista flujo pistón es que 
el  tiempo  de  residencia  en  el  distribuidor  sea  el mismo  para  todos  los  elementos  del 
fluido.[15] 
 
 
1.4 Reactor en flujo pistón 
 
 
Alimentación  Producto 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
20 
 
Flujo en mezcla perfecta. 
Este  se  presenta  cuando  el  contenido  del  separador  esta  perfectamente  agitado  y  su 
composición en cada  instante es  la misma en todos  los puntos del separador, ver  figura 
1.5. 
 
 
 
 
1.5 Reactor en mezcla perfecta. 
La influencia del flujo no ideal en el distribuidor son las siguientes: 
Flujo o Volumen Muerto.‐   Se  le  denominaal  flujo  que  se mueve  lentamente  y  que 
permanece más de dos veces del tiempo de residencia dentro del separador. En muchos 
procesos  este  tipo  de  flujo  disminuye  la  eficiencia  del  equipo,  para  el  caso  de  un 
separador es  importante ya que a mayor cantidad de flujo muerto mayor será el tiempo 
de residencia, lo cual nos un tiempo mas prolongado en el cual se puede separar las fases 
agua‐aceite. 
Vortex.‐  Es un fenómeno importante, debido a que la presencia de éste produce que 
la corriente de flujo arrastre cantidades considerables de aceite; por lo tanto alguna de las 
fases se contaminará con partículas de otra, un ejemplo de esto puede observarse en  la 
figura 1.6. 
 
Figura 1.6 Formación del vortex 
Alimentación 
Producto
Mezcla 
Uniforme
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
21 
 
1.1.10 CURVAS DE DISTRIBUCION DE TIEMPOS DE RESIDENCIA (DTR). 
Se denomina tiempo de residencia de las moléculas o partículas individuales en el reactor 
al tiempo que tarda una molécula desde que entra al reactor hasta que sale del mismo. 
La  función  de  distribución  de  tiempos  de  residencia  (FDTR)  se  determina 
experimentalmente mediante  técnicas  de  estimulo‐respuesta  utilizando  trazadores.  Las 
técnicas estimulo‐respuesta consiste en introducir al reactor una cantidad de trazador con 
una  concentración  dada  y  determinar  su  concentración  en  la  corriente  de  salida  en 
función  del  tiempo  C(t).  Como  trazadores  se  pueden  utilizar  colorantes,  ácidos,  bases, 
sales,  isótopos  radiactivos,  etc.  y  la  forma  de  analizarlos  en  la  corriente  de  salida 
dependerá del tipo de trazador utilizado (absorbancia, pH, conductividad eléctrica, etc.) 
El  estimulo  o  perturbación  que  se  introduce  al  sistema  también  puede  ser  variada: 
impulso, escalón,  sinusoide,  rampa,  al  azar, etc.  (figura 1.7).  Las mas empleadas  y mas 
fáciles de interpretar son el impulso y el escalón. 
1. entrada en escalón, en el que  la concentración de un  trazador en el  influente al 
reactor cambia de un estado estacionario a otro distinto. 
2. entrada en impulso, en el que una cantidad relativamente pequeña de trazador se 
inyecta a la corriente. 
 
Figura 1.7 Formas de realizar la perturbación utilizando un trazador 
Por otra parte,  las relaciones matemáticas que expresan el tiempo que  las moléculas de 
fluido tardan en atravesar el reactor pueden distintas formas. 
 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
22 
 
Curva F.  
Fracción  volumétrica  de  la  corriente  de  salida  que  tiene  una  edad  menor  de  t  (se 
denomina “edad” de una partícula al  tiempo que permanece en el  interior del  reactor). 
Indica la probabilidad de que un elemento de fluido haya salido del reactor en un periodo 
de tiempo inferior a t. 
La curva F  representa  la  respuesta del sistema  frente a una perturbación en escalón. Es 
una función acumulativa. Se observa en la figura 1.8  que es siempre ascendente desde 0 
hasta 1. 
 
 
 
 
Figura 1.8 Representación de la curva F 
Curva E(t). 
A  esta  curva  también  se  le  denomina  función  de  distribución  de  tiempo  de  residencia 
(FDTR) o edades  a  la  salida del  reactor, da  idea del  tiempo que  tarda una  fracción del 
fluido en atravesar el reactor. Representa  la concentración de trazador en cada  instante 
de  tiempo  respecto  de  la  cantidad  inicial  de  trazador  que  se  introduce  al  reactor.  La 
función  E(t)  muestra  la  respuesta  normalizada  del  trazador  en  la  corriente  de  salida 
respecto del tiempo. E Distribución de edades del fluido que sale de un recipiente. 
Es conveniente representar la DTR de tal manera que el área bajo la curva sea la unidad, 
es decir. 
 
t
C
0 
1 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
23 
 
0 
t1  t 
Este procedimiento se denomina de normalización de  la distribución. En  la  figura 1.9 se 
muestra esta distribución en forma normalizada. 
 
Figura 1.9 Representación de un curva E o de edades 
 De  acuerdo  con  esta  representación  la  fracción  de  corriente  de  salida  cuya  edad  esta 
comprendida entre t y t+ dt es: 
Edt 
La fracción con edad inferior a t1 es  
 
Mientras  que  la  fracción  de material  con  edad  superior  a  t1,  representada  por  el  área 
sombrada a de la figura 1.7, es: 
 
La curva E es la distribución que se deberá tomar en cuenta para el flujo no ideal. 
Curva C. 
Cuando  la  corriente de  fluido que entra en  al distribuidor no  contiene  trazador  y  se  le 
impone una señal de pulso perfecto (señal trazadora que se inyecta de modo virtualmente 
Fracción de la corriente de salida con 
tiempo de residencia mayor que t1 
Area total=1 
Curva E 
E 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
24 
 
instantáneo y que frecuentemente se conoce con el nombre de función delta de Dirac) se 
denomina curva C a la respuesta normalizada del trazador en la corriente de salida frente 
al tiempo, a continuación se muestra la gráfica obtenida en la figura 1.10. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura.1.10. Representación de una curva C 
1.2 MODELACIÓN FÍSICA 
Se  llama  así,  a  la  investigación  física de procesos, en  las que  se  conserva  la naturaleza 
física del fenómeno, pero usando otras dimensiones geométricas o físicas. 
Mediante el empleo de la modelación física se solucionan tareas que permiten conocer los 
procesos  que  se  llevan  a  cabo  en  el  ramo  de  la  ingeniería,  tales  procesos  operan  a 
condiciones  elevadas  de  presión  y  temperatura  por  lo  cual  es  difícil  llevar  a  cabo 
mediciones directas que faciliten efectuar un análisis del proceso.  
La modelación física es una representación realista de un sistema, utilizando materiales y 
equipo  tales que permitan  realizar mediciones más convenientes y sobre  todo aun bajo 
costo,  lo cual   permite hacer una serie de experimentos con dispositivos diseñados para 
mejorar las condiciones del flujo líquido en el separador agua‐aceite. 
 Los  problemas  que  se  han  encontrado  al momento  de  analizar  el  comportamiento  de 
disociación  de  dos  fases  liquidas  (agua‐aceite)  han  provocado  que  el modelo  físico  de 
estas  operaciones  se  convierta  en  una  importante  herramienta  en  la  metalurgia  de 
C 
t 
Pulso perfecto 
Curva
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
25 
 
procesos, ya que se considera a los fenómenos de transporte un elemento singular para el 
estudio de flujo de fluidos. 
1.2.1 PRINCIPIOS DE LA MODELACIÓN FÍSICA.   
En  los  estudios  con modelos  físicos  reducidos  a  una  cierta  escala  y  donde  no  existe 
reacción en el  sistema, dos  conceptos de  similitud  son  los  requeridos para  satisfacer el 
comportamiento  del  fluido  dentro  de  un  separador  bifásico  liquido‐liquido  en  estudio: 
Similitud  Geométrica  y  Similitud  Dinámica  a  las  cuales  se  les  asocia  un  determinado 
numero adimensional. 
1.2.2 CRITEROS DE SIMILITUD. 
Para mantener  la  similitud  entre  dos  sistemas  de  flujo  deben  cumplirse  las  siguientes 
condiciones  
Similitud geométrica. 
Es la similitud de forma. Dos sistemas son geométricamente similares cuando la razón de 
cualquier dimensión en un sistema y  la dimensión en otro, es siempre  la   misma. A este 
cociente  se  le  conoce  como  factor  de  escala.  Este  criterio  se  rige  por  el  numero 
adimensional de Froude, (Fr). 
iasgravitator Fuerzas
inerciales Fuerzas
gL
vN fr ==
2
 
Similitud cinemática. 
Dos  sistemas  son  cinéticamente  similares  cuando  las  velocidades  en  puntos 
correspondientes de los dos sistemas se encuentran en la misma relación fija. Representa 
la similitud de movimiento. Este criterio se rige por el numero adimensional de Reynolds,(Re). 
viscosas Fuerzas
inerciales FuerzasLvN ==
μ
ρ
Re  
 
Capitulo I                                                   Antecedentes 
 
26 
 
Similitud dinámica. 
Dos  sistemas  son  dinámicamente  similares  cuando  las  magnitudes  de  las  fuerzas  en 
puntos  correspondientes  en  cada  sistema  se  encuentran  en  la  misma  proporción. 
Representa  la  similitud  de  fuerzas  Este  criterio  se  rige  por  el  numero  adimensional  de 
Weber, (We). 
al superficitensión de Fuerzas
inerciales FuerzasLvNWe == σ
ρ2
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
27 
 
 
Capítulo 2 
   
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
 
 
En este capítulo se definen los criterios empleados para la elección de la escala del equipo 
experimental, el procedimiento  para la obtención de las curvas de distribución de tiempo 
DTR, así como la descripción del equipo utilizado. 
 
2.1 DISEÑO DEL MODELO. 
 
Para poder escalar el modelo del  separador  fue necesario  tomar en  cuenta  la  similitud 
Geométrica  o mejor  conocido  como  factor  de  escala,  el  cual  se  rige  por  el  número  de 
Froude  y  la  similitud Cinemática, este  criterio esta basado en el número de Reynolds  y 
hace referencia al movimiento del flujo, ambos criterios han sido detallados en el capítulo 
anterior.  
En  la  Tabla 2.1  se presentan  las  condiciones de  trabajo  reales de un  separador  a nivel 
industrial. 
 
Tabla.2.1 Condiciones de reales de un separador 
CARACTERISTICAS ORIGINALES DEL PROTOTIPO 
(SEPARADOR) 
DIAMETRO DE BOQUILLAS 
DE ENTRADA Y SALIDA DEL 
SEPARADOR 
3 pulg 
DENSIDAD DE CRUDO  998.2 kg/m3
VISCOSIDAD CRUDO  0.001 kg/ms 
GASTO DE FLUIDO  170 lt/min 
CAPACIDAD DE SEPARADOR  1100 lt
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
28 
 
En  primer  lugar  se  debe  determinar  las  condiciones  a  las  que  trabaja  el  prototipo 
(separador), para obtener las dimensiones del modelo. Por lo tanto, se calcula el número 
de Reynolds empleando los datos de la Tabla 2.1, así como la definición de éste (Fórmula 
2.1) 
 
                      (2.1) 
Donde: 
 
ρ= densidad del fluido 
D= diámetro de la tubería por la cual circula el fluido 
µ= viscosidad del fluido 
ν= velocidad del fluido 
 
La velocidad de flujo de entrada se calcula mediante la relación siguiente. 
 
           (2.2) 
 
 
 
 
  
Una  vez  obtenida  la  velocidad,  se  procede  a  calcular  el  Re  del  fluido  de  acuerdo  a  la 
formula (2.1), de la siguiente manera: 
 
 
 
 
Para  calcular  las  dimensiones  del modelo  de  acrílico  se  partió  de  la  fórmula  para  el 
volumen de un cilindro: 
                          (2.3) 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
29 
 
Dado que el modelo debe cumplir con el criterio de similitud Geométrica de acuerdo al 
prototipo, es necesario hacer notar que para un  Dinicial  y Linicial del modelo, se calculará un 
valor de volumen para el modelo similar al del prototipo, es decir,  Vinicial≈1100 litros, por 
lo tanto haciendo una relación entre las datos que se tienen y la formula (2.3) se obtendra 
un valor para un Dfinal   y una    Lfinal de  tal  forma que  sustituyendo valores  se obtiene  la 
siguiente expresión: 
 
 
De acuerdo al factor de escala de la similitud geométrica, se puede conocer el diámetro y 
la longitud del modelo, de la siguiente manera: 
 
                    (2.4) 
 
Tomando como base un Dinicial=0.01 m y Linicial=0.04 m para el modelo se permite cumplir 
con  la condición anteriormente mencionada, entonces se obtiene que  los valores  ideales 
de diámetro y longitud para el modelo de acrílico son: 
 
Dfinal =0.445 m;  Lfinal=1.78 m 
 
Por lo tanto: 
 
 
 
 
 
Por  lo  que  se  ha  cumplido  una  de  las  condiciones  de  similitud  en  el  modelo.  Las 
dimensiones  propuestas  para  el  modelo  considerando  el  espacio  que  ocupara  y  su 
facilidad para ser transportado, son:  
 
Dm =0.15 m;  Lm=0.6 m 
 
 por  lo tanto el volumen del modelo (Vm) para estas dimensiones de diámetro y  longitud 
esta dada por: 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
30 
 
 
 
 
 
 
 
Si consideramos que para un V= 1100 lt se tiene un gasto másico de 170 lt/min, entonces 
para: 
 
 
 
Ahora ya que se cuenta con las dimensiones del modelo es necesario mantener la relación 
siguiente: 
            
 
y dado que en el modelo se manejan flujos similares de acuerdo a  la Tablas 2.1 y 2.2 se 
tiene que: 
 
 
 
 
Entonces, de acuerdo a la ecuación (2.2) en relación al modelo se obtiene que: 
 
 
 
 
 
 
 
Calculando el Re para el modelo: 
 
 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
31 
 
De  esta  manera  se  cumplen  las  condiciones  mencionadas,  para  llevarse  a  cabo  una 
simulación correcta del proceso de separación. 
 
 
Las características del modelo  se muestran en la Tabla 2.2 
 
Tabla 2.2 Características y condiciones de trabajo del modelo. 
 
CARACTERISTICAS MODELO 
DIAMETRO DE BOQUILLAS DE 
ENTRADA Y SALIDA DE 
SEPARADOR 
0.125 pulg 
DENSIDAD DE FLUIDO  998.2 kg/m3
VISCOSIDAD DE FLUIDO  0.001 kg/ms 
GASTO DE FLUIDO  6.51 lt/min 
CAPACIDAD DE SEPARADOR  42.4 lt
REYNOLDS  43438.55 
  
De acuerdo a lo anterior el esquema del modelo físico con sus respectivas acotaciones se 
muestra en la figura 2.1 y en la tabla 2.3 se indican las dimensiones del mismo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura. 2.1 Dimensiones del modelo físico del separador horizontal. 
 
 
C 
E 
G 
F
D 
B 
A 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
32 
 
 
 
Tabla 2.3 Dimensiones del modelo de acuerdo a la Figura 2.1. 
 
2.2 EMULSION AGUA‐ACEITE. 
 
Es importante hacer saber que para realizar la modelación del proceso es necesario contar 
con fluidos que sean semejantes en cuanto a densidad y viscosidad se refiere, tomando en 
cuenta que a nivel industrial el proceso de separación se efectúa cuando se separa el agua 
retenida  en el crudo (petróleo).  
 
Para esta investigación se acondicionó una mezcla de agua y aceite vegetal, en la Tabla 2.4 
se muestra una comparación de las características que deben tener estos fluidos.  
Tabla 2.4 Comparación entre los parámetros de flujo de operación y experimentación. 
 
  Densidad  Viscosidad 
Petróleo  998 kg/m3 0.001 kg/ms 
Aceite vegetal  930 kg/m3 0.001 kg/ms 
 
Para realizar  la mezcla agua aceite se creó un sistema de recirculación, el cual consta de 
un recipiente con capacidad para 20 litros  de agua, una bomba de 1/30 HP, la relación de 
aceite que se utilizó fue el equivalente al 5% de aceite por cada litro de agua.  
 
 
COTA 
 
SERVICIO 
 
DIAMETRO 
(m) 
 
LONGITUD 
(m) 
 
ALTURA (m) 
A 0.15 
B 0.65 
C 0.6 
D Salida de agua y 
aceite 
0.007 0.1 
E Entrada de flujo 0.004 0.05 
F Placa de choque 0.09 
G Placa separadora *Su altura es por debajo del 
diámetro del separador 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
33 
 
Esta  relación  se  definió  que  al mezclar  agua  por  arriba  del  5%  de  aceite  se  forma  una 
emulsión crítica para lo cual es necesario utilizar un modelo de mayor longitud para lograr 
la separación. 
 
2.3 DESCRIPCION DEL EQUIPO EXPERIMENTAL. 
 
El esquema del equipo empleadose muestra en la Figura 2.2, el cual consta de lo 
siguiente: 
 
• Un tanque de alimentación que abastece la mezcla (agua‐aceite) para cada prueba. 
• Una bomba de 1/30 HP para realizar la emulsión.  
• Un separador horizontal de acrílico adaptado para trabajar con un flujo de hasta 
6.5 lt/ min. 
• Un rotámetro (flujometro) con capacidad para 20 lt/min. 
• Una bomba de  ½ Hp para el suministro de flujo al separador. 
• Un pH metro Oakton, pH 1100 con puerto RS232C para el envío de datos a una PC. 
• Un electrodo de pH de doble junta y cuerpo de vidrio, ubicado en las salidas de 
flujo 
• Una PC para la recolección de datos. 
• Una placa ovalada de acrílico con orificios hechos a 45o, que se emplean como 
dispositivos modificadores de flujo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
34 
 
Contenedor de acrílico 
Bomba 1/30 Hp 
Bomba 1/2 Hp 
rotámetro 
Electrodo y Ph metro 
 
                               
 
 
 
   
 
        
 
 
Figura 2.2  Equipo Experimental 
 
 
2.4 PLACA MODIFICADORA DE FLUJO 
 
Una placa modificadora de flujo es un dispositivo que se utiliza para darle una dirección al 
flujo dentro del separador.  
 
El diseño del dispositivo modificador de  flujo se muestra en  la Figura 2.3,  la altura de  la 
placa es 12 cm, se le realizaron alrededor de 400 orificios con un diámetro de 3 mm a 45° 
y con una separación de 1mm entre ellos. La placa debe ir colocada de tal manera que los 
orificios direccionen al flujo hacia la superficie.   
 
Este dispositivo  se diseño de  tal manera porque  se considera que así podría existir una 
separación más eficiente entre el agua y el aceite. 
 
Separador Placa modificadora de flujo 
PC 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
35 
 
 
Figura 2.3 placa modificadora de flujo 
 
El  dispositivo  obliga  al  flujo  a  fluir  de  manera  lenta,  minimizando  la  turbulencia  e 
incrementando el  tiempo de  residencia,  lo cual beneficia al proceso, ya que en primera 
instancia  la placa  funge  como  retenedor de  líquidos de  esta manera  se  lleva  a  cabo  la 
separación por diferencia de densidades. 
 
Otra de las funciones a cumplir de este dispositivo es reorientar el flujo de tal manera que 
las  partículas  más  pequeñas  de  aceite  que  no  se  logran  separar  por  diferencia  de 
densidades  sean  orientadas  hacia  la  superficie,  permitiendo  que  la menor  cantidad  de 
aceite salga por la salida de agua, como se muestra en la Figura 2.4. 
 
 
 
Figura 2.4 Orientación de las partículas de aceite hacia la superficie [14] 
 
 
 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
36 
 
2.5 CASOS DE ESTUDIO   
 
Las condiciones de los casos de la primera se detallan en la Tabla 2.5 
 
Tabla 2.5 Casos de estudio, primera etapa. 
CASO  MODIFICADORES 
DE FLUJO 
UBICACIÓN DE LA PLACA 
MODIFICADORA 
ALTURA DE LA PLACA 
MODIFICADORA 
CASO 
1 
SIN 
MODIFICADORES 
   
CASO 
2 
1 PLACA  5  cm  después  de  la  placa  de 
choque. 
12 cm 
CASO 
3 
1 PLACA  20  cm  después  de  la  placa  de 
choque. 
12 cm 
CASO 
4 
2 PLACAS  La primera placa  a 5  cm de  la 
placa  de  choque  la  segunda  a 
15  cm  de  separación  de  la 
primera. 
12 cm 
 
Cada uno de los casos de la Tabla 2.5 fueron analizados mediante curvas DTR las cuales se 
obtuvieron mediante  la  técnica  de  estimulo‐respuesta,  utilizando  como  trazador  acido 
clorhídrico (HCl) al 50% de concentración.  
 
La celda utilizada para detectar  la señal del flujo para  la salida de agua y  la de aceite fue 
un  electrodo  de  pH.  Este  análisis  se  realizó  para  dar  un  panorama  general  acerca  del 
comportamiento del flujo dentro del separador. 
 
Posteriormente  se  corrieron  pruebas  para  cada  caso  con  una  mezcla  agua  aceite 
(emulsión) con el fin de observar  la eficiencia del separador. Para cuantificar  la cantidad 
de  agua y aceite que se desalojó en cada una de las salidas fue necesario hacer uso de un 
embudo de separación y de un vaso de precipitado graduado. 
 
Como en la primera etapa no se obtuvo la eficiencia de separación máxima, se procedió a 
realizar una segunda etapa de experimentación, la cual consiste en hacerle un recorte a la 
placa modificadora de  flujo. Esto debido a que  la altura de  las placas no  favoreció a  la 
circulación de la fase aceitosa, lo que provoco un estancamiento de aceite.  
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
37 
 
Por lo que se tuvo que realizar una segunda ronda de experimentos realizando cambios en 
los dispositivos modificadores de flujo y en el flujo de entrada. 
 
En  la  tabla  2.6  se  muestran  los  casos  correspondientes  a  la  segunda  parte  de  la 
experimentación. 
 
Tabla2.6 Casos de estudio, segunda parte de la experimentación. 
CASO  MODIFICADORES 
DE FLUJO 
UBICACIÓN DE LA 
PLACA 
MODIFICADORA 
ALTURA DE LA 
PLACA 
MODIFICADORA 
CASO 
5 
SIN 
MODIFICADORES 
   
CASO 
6 
1 PLACA  5 cm antes de la 
salida de agua 
6 cm 
 
 
2.6 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA LA OBTENCIÓN DE LAS CURVA DTR TIPO C 
 
1. Se   ajusta el flujo al nivel de  la placa separadora, y se mantiene el estado estable 
en el sistema. 
2. Se coloca el electrodo en  la salida de agua y posteriormente en  la de aceite para 
tomar la lectura de pH. 
3. La inyección del trazador se realiza a un tiempo cero a este tiempo inicia la captura 
de la conductividad cada segundo. 
4. Cada experimento se repite tres veces para corroborar que existe reproducibilidad 
y confiabilidad en los resultados. 
5. Los valores de pH se convierten en concentración mediante la siguiente formula. 
 
 
 
6. Los  valores  obtenidos  de  concentración  en  función  del  tiempo  se  introducen  al 
programa SIGMA PLOT, con el cual se obtiene  la curva C y  las características del 
flujo como son los porcentajes de volumen de flujo muerto, pistón y mezcla. 
 
Capitulo II                                                                                                             Desarrollo Experimental 
 
38 
 
 
Capítulo 3 
                        RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
En  este  capitulo  se  presentan  los  resultados  y  análisis  que  se  obtuvieron  de  la 
experimentación  realizada.  La  evaluación  del  comportamiento  del  flujo  dentro  del 
separador  se  hizo mediante  curvas  de  distribución  de  tiempos  de  residencia  (DTR),  la 
evaluación  de  la  eficiencia  del  separador  se  realizo  a  través  de  la  cuantificación  de  las 
fases presentes. 
3.1 RESULTADOS   Y ANALISIS DE RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL FLUJO DEL 
FLUIDO DENTRO DEL SEPARADOR Y LA EFICIENCIA DE SEPARACIÓN. 
La  Figura  3.1  muestra  las  diferentes  curvas  de  distribución  de  tiempo  obtenidas 
experimentalmente para los 4 casos para la salida de agua únicamente. 
θ (tiempo adimensional)
0 1 2
C
 (C
on
ce
nt
ra
ci
ón
 a
di
m
en
si
on
al
)
0
1
2
3
4
CASO 1
CASO 2
CASO3
CASO4
 
Figura 3.1 Curva C de  los casos 1, 2, 3 y 4 para la salida de agua. 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
39 
 
Se observa que para el caso 1 el comportamiento del flujo es diferente a los demás casos 
(2, 3 y 4) esto se debe a la falta de dispositivos modificadores de flujo, mientras que para 
los casos 2, 3 y 4  exhiben un comportamiento similar. Esto significa que la posición de las 
placas modificadoras no varía el comportamiento del flujo dentro del separador, tal como 
se muestra en la Tabla 3.1. 
Tabla 3.1 Características de flujo para la salida de agua. 
CASO  %volumen mezcla  % volumen 
pistón 
% volumen muerto 
CASO 1  35.58  64.36  0.0596 
CASO 2  82.03  16.81  1.154 
CASO 3  84.03  15.22  0.747 
CASO 4  85.06  14.68  0.252 
Es  evidente que  la  falta de una placa que modifique  el patrón de  flujo para  el  caso  1, 
permita que haya mayor cantidad de flujo pistón dentro del separador. Se corrobora que 
para  los casos  restantes se  tiene un comportamiento similar, predominando el volumen 
de flujo mezcla, este comportamiento se debe a que como ya se ha mencionado las placas 
modificadoras tienen orificios a 45o que orientan al flujo hacia la superficie y al atravesar  
el flujo la placa se genera este tipo de comportamiento. Los resultados correspondientes a 
la salida de aceite  para los 4 casos se muestran en la Figura 3.2. 
θ (tiempo adimensional)
0 1 2
C
 (C
on
ce
nt
ra
ci
ón
 a
di
m
en
si
on
al
)
0
2
4
6 CASO 1
CASO 2
CASO3
CASO4
 
Figura 3.2  Curva C de  los casos 1,2,3 y 4 para la salida de aceite. 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
40 
 
 Se  observa  que  la  tendencia  de  los  4  casos  es  similar,  existiendo  variación  en  la 
concentración, esto quiere decir que para la salida de aceite existe una gran dispersión de 
flujo  a  lo  que  debe  ser  consecuencia  de  la  altura  de  la  placa  de  separación  que  se 
encuentra antes de la salida de aceite. Sin embargo de acuerdo a la Tabla 3.2 se observa 
que  el  comportamiento  del  flujo  permanece  similar  al  comportamiento mostrado  a  la 
salida de agua.  
Tabla 3.2 Características de flujo para la salida de aceite. 
CASO  % volumen mezcla  % volumen Pistón  % volumen 
muerto 
CASO 1  37.16  62.77  0.067 
CASO 2  83.69  15.61  0.699 
CASO 3  81.88  17.04  1.077 
CASO 4  81.63  17.56  0.483 
 
 Los  resultados  anteriores  se  pueden  corroborar  en  las  Figuras  3.3  a  la  3.6    donde  se 
observa el avance del patrón de flujo dentro del separador. Las imágenes que se muestran 
para los casos 1, 2, 3 y 4 se tomaron de la siguiente manera: 
 
a) 5 segundos después de inyectar el trazador 
b) 10 segundos después de inyectar el trazador 
c) 15 segundos después de inyectar el trazador  
 
 
 
 
 
 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
41 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.3 CASO 1 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
  
 
  
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4 CASO 2 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
(a)        (b)   
    (c) 
    (b)     (a) 
    (c)   
Capitulo III    Resultados y Discusión 
42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.5 CASO 3 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.6 CASO 4 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
(a) 
(c) 
(b) 
(a)  (b) 
(c) 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
43 
 
De  las  Figuras  se  observa  que  para  el  caso  1  el  flujo  no  lleva  un  comportamiento 
homogéneo, puesto que la velocidad de flujo en la superficie es mayor que del fondo del 
separador, pero este es un efecto que produce  la turbulencia con  la que entra el flujo al 
separador. 
Para el caso 2 se observa que la placa direcciona el flujo hacia la superficie, pero de igual 
manera en    la Figura 3.4 (c) se nota como es que se forma el flujo mezcla después de  la 
placa. 
La  Figura 3.5  (c)  la  cual  corresponde  al  caso 3,  se observa el momento en que el  flujo 
atraviesa  lentamente  la palca modificadora de  flujo, pero de  igual manera  se  forma un 
flujo mezcla en dirección a la salida de agua. 
En el  caso 4  se observa   que el  flujo  fluye por  la  superficie  cuando el  flujo atraviesa  la 
primera placa y que se genera una recirculación antes de cruzar la segunda placa, lo cual 
provoca el flujo mezcla. 
Para corroborar que los experimentos realizados son factibles para la separación de agua y 
aceite fue necesario correr pruebas con emulsión, de  los cuales se tomaron muestras de 
flujo para cada salida y cuantificando  las  fases mediante un embudo de separación y un 
vaso de precipitado como se muestra en la Figura 3.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.7 muestras de agua y aceite en embudos de separación. 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
44 
 
El resultado de la cuantificación de fases a la salida de agua y de aceite para los 4 casos se 
muestra en  la Tabla 3.3, donde  se observa que  cantidad de  liquido para  los 4  casos es 
similar y no difiere la cantidad de aceite recolectado en cada salida. 
Tabla 3.3 Porcentajes de agua y aceite obtenidos en cada una de las salidas. 
  SALIDA DE AGUA  SALIDA DE ACEITE 
CASO  % AGUA  % ACEITE  % AGUA  %ACEITE 
CASO 1  97.77  0.14  98.21  0.17 
CASO 2  97.4  0.2  94.63  0.5 
CASO 3  96.58  0.2  96.49  0.3 
CASO 4  97.13  0.18  97.1  0.2 
 
Por lo anterior se dedujo que la placa modificadora no favoreció al proceso de separación, 
una posible razón es que el aceite  se retiene en los orificios de la placa y la velocidad de 
flujo no permite que el aceite se aglomere  y suba a la superficie.  
Por  lo anterior, se considero necesario proponer dos casos en  los cueles se disminuyó  la 
altura de  las placas al nivel de  la placa  separadora y por ende  también  se disminuyó  la 
cantidad de flujo de entrada de 6.5 litros/minuto a 5 litros/minuto, obteniendo un número 
de Reynolds como se muestra en la Tabla 3.4. 
 
Tabla 3.4 Comparación entre el numero de Reynold para el prototipo y el modelo 
NUMERO REYNOLD DEL 
PROTOTIPO 
NUMERO DE REYNOLD 
DEL MODELO 
47257.35 33358.07
 
El desarrollo experimental para los nuevos casos propuestos, caso 5 y 6, se analizaron de 
la misma forma que los anteriores. 
 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
45 
 
 La Figura 3.8 muestra las curvas DTR únicamente para la salida de agua para los casos 5 y 
6. 
θ (tiempo adimesnional)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
C
 (c
on
ce
nt
ra
ci
ón
 a
di
m
en
si
on
al
)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
CASO 5
CASO 6
 
Figura 3.8  Curva C de los casos para la salida de agua 
De la figura 3.8 se observa que el tiempo de residencia es mayor para el caso 5Es posible 
notar mediante la figura anterior que el tiempo de residencia para el caso 6 es mayor (60 
segundos)  que en le caso 6 (15 segundos). Estos datos se obtienen tomando el valor más 
alto en la curva tipo C. 
De  igual manera    se muestra que el  comportamiento del  fluido mejoro para el  caso 5, 
mientras que para el  caso 6  sigue existiendo dispersión en  la  lectura de datos, esto  se 
debe a que la placa separadora se encuentra a 5 centímetros de distancia de la salida de 
agua, por lo que se sigue generando el mismo efecto de los casos anteriores, tal como se 
muestra en la tabla 3.5. 
Tabla 3.5 Características de flujo para la salida de agua. 
CASO  % volumen mezcla  % volumen pistón  % volumen muerto 
CASO 5  35.58  64.36  0.0596 
CASO 6  52.75  45.08  2.168 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
46 
 
Una vez que se analizaron  los datos correspondientes a  la salida de agua se prosiguió a 
analizar el comportamiento del flujo a la salida del aceite, la Figura 3.9 muestra las curvas 
DTR  para los casos 5 y 6. 
θ (Tiempo adimensional)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
C
 (c
on
ce
nt
ra
ci
ón
 a
di
m
en
si
on
al
)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
CASO 5
CASO 6
 
Figura 3.9  Curva C de los casos para la salida de aceite 
De esta figura se obtiene que para el caso 6 se mejoro el comportamiento, es decir, ya no 
se observa dispersión en los valores, con respecto al caso 5 se exhibe un comportamiento 
similar al comportamiento de la salida de agua, es decir en flujo pistón, esto  mas notable 
en la Tabla 3.6 
Tabla 3.6 Características de flujo para la salida de aceite. 
CASO  % volumen mezcla  % volumen pistón  % volumen muerto 
CASO 5  37.16  62.77  0.067 
CASO 661.96  30.18  7.85 
Se  corrobora  que  los  resultados  obtenidos  para  la  salida  de  aceite  son  similares  a  los 
obtenidos  en  la  salida  de  agua,  incluyendo    los  valores  correspondientes  al  tiempo  de 
residencia. La curva de  la figura 3.9 correspondiente al CASO 5 prueban que  los tiempos 
de residencia para  la salida de aceite muestran el mismo comportamiento que  los datos 
de  la  salida de  agua.  Lo  anterior  se hace  visible  en  las  figuras  3.9  y  3.10,  en donde  se 
realizaron tomas de igual manera que los casos anteriores, teniendo que: 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
47 
 
a) 5 segundos después de inyectar el trazador 
b) 10 segundos después de inyectar el trazador 
c) 15 segundos después de inyectar el trazador  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9 CASO 5 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10 CASO 6 a) 5 segundos, b) 10 segundos, c) 15 segundos, después de inyectar el 
trazador 
(a)  (b) 
(c) 
(b)
(c)
(a)
Capitulo III    Resultados y Discusión 
48 
 
En  la Figura   3.10 (a), (b) y (c) se exhibe el avance gradual del flujo en el cual se muestra  
que    en  la  salida  de  agua  se  genera  un  poco  de  flujo mezcla.  En  la  Figura  3.11  (b)  se 
observa de  igual manera que en  la superficie existe un gradiente de velocidad, mientras 
que en el  fondo del separador el  flujo  lleva un comportamiento   ordenado hasta que el 
flujo atraviesa la placa (Figura 3.10 (c)) en donde nuevamente se genera una recirculación 
provocada por el choque del flujo con la placa de separación. 
 Es  importante  tener en  cuenta  las  ventajas  y desventajas que  con  llevan el  cambio de 
posición y altura de las placas modificadoras de flujo en la eficiencia del separador, es por 
eso que en  la Tabla 3.7 se observan  los resultados obtenidos en  la separación de agua y 
aceite en la salida de agua para los casos 5 y 6. 
 
Tabla 3.7 Cantidad y porcentaje de agua y aceite reportadas para el caso 5. 
  Salida de 
agua (litros) 
% de liquido  Salida de 
aceite (litros) 
% de liquido 
AGUA  4.48  96.552  0.380  82.61 
ACEITE  0.16  0.18  0.080  17.39 
Total de flujo  4.64    0.46   
 
En la tabla anterior se observa que en  la separación de fases para el caso 5  se obtuvo un 
porcentaje de líquido considerable de aceite en su respectiva salida, esto se debió a que la 
placa separadora permitió que el flujo se acumulara y se llevara a cabo la separación por 
diferencia de densidades.  
El porcentaje de  liquido de  la  tabla 3.7 se obtiene del  total de  liquido  total obtenida en  
cada salida. 
En la tabla 3.8 se muestran los resultados obtenidos en la separación de agua y aceite para 
el caso 6, con un flujo de  5.1 litros/por minuto. 
 
 
Capitulo III    Resultados y Discusión 
49 
 
Tabla 3.8  Cantidad y porcentaje de agua y aceite reportadas para el caso 6 
  Salida de 
agua (litros) 
% de liquido  Salida de 
aceite (litros) 
% de liquido 
AGUA  4  96.386  0.870  95.39 
ACEITE  0.15  0.18  0.042  4.61 
FLUJO  4.15    0.912   
 
Al  analizar  los  resultados  correspondientes  al  caso  6  se  observa  que  el  porcentaje  de 
aceite obtenido en su respectiva salida es menor al obtenido en el caso 5, es posible que 
este comportamiento sea generado por la dispersión que genera la placa modificadora de 
flujo y el flujo mezcla que esto provoca. 
 Finalmente  se  observa  que  aunque  en  el  caso  6  aumento  el  tiempo  de  residencia  del 
flujo, no hubo mayor separación y esto es debido al diseño con el que cuentan las placas, 
ya que la densidad del aceite no permitió que pasara por el diámetro de los orificios de las 
placas,  y  que  el  caso  5  a  pesar  de  tener menor  tiempo  de  residencia,  la  eficiencia  de 
separación  fue mayor, ya que  la placa separadora realizo el trabajo de retener el  flujo y 
por lo tanto se llevo a cabo una separación por diferencia de densidades.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Conclusiones 
50 
 
 
      CONCLUSIONES 
 
Este  trabajo  se  planteo  con  la  idea  de  diseñar  el modelo  físico  de  un  separador  agua‐
aceite,  sin  embargo  es  importante  aclarar  que  se  partió  de  diferentes  fuentes  de 
información, ya que  los parámetros necesarios para el diseño  interior de separadores es 
muy restringido. 
Finalmente y de acuerdo a los resultados se observa que existen diferentes factores tales 
como: gasto másico de entrada, tamaño, posición y diseño de las placas modificadoras de 
flujo, que limitan la eficiencia de  separación de agua y aceite en esta investigación. 
 
A lo anterior se concluye que: 
De  acuerdo  a  los  resultados  obtenidos  las  condiciones  de  operación  del  caso  5  son  el 
punto de partida para continuar con este proyecto y lograr una separación eficiente.  
El diseño de  la placa modificadora de flujo propuesto en este trabajo ayuda a orientar el 
flujo, pero en el caso 6 no favorece la separación ya que genera un alto porcentaje de flujo 
mezcla. 
El  diámetro  y  el  ángulo  propuestos  para  los  orificios  de  la  placa modificadora  de  flujo 
afectan directamente la circulación de la emulsión a través de ella. 
A mayor cantidad de placas modificadoras dentro del separador, mayor será el tiempo de 
residencia del flujo. 
El nivel de flujo dentro del separador es dependiente de  la altura de  la placa separadora 
de fases.  
 
 
 Conclusiones 
51 
 
Algunas recomendaciones para continuar este trabajo son: 
 
Realizar  orificios  de mayor  diámetro  y  disminuir  el  ángulo  de  orientación  en  las placas 
modificadoras de flujo, con el fin de darle al flujo un comportamiento de volumen pistón, 
para evitar arrastres de aceite en la salida de agua. 
Proponer nuevas posiciones para las placas modificadoras de flujo. 
Proponer nuevos sistemas de dispositivos modificadores de flujo tales como: 
• Placa sin orificios, seguido de  una placa con orificios 
• Placa  modificadoras con inclinación 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
        Bibliografía 
 
 
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