How to Size a Separator

download How to Size a Separator

of 14

Transcript of How to Size a Separator

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    1/14

    1

    2

    3

    4

    5

    5A

    5B

    5C

    5D

    66A

    6B

    6C

    6D

    Prepared by:

    Ajay S. Satpute

    Sr. Process Engineer

    Ramboll Consulting Engineering, Qatar

    INDEX:

    Discussion

    Nomenclature

    References

    Standard Separator Sizes as per API

    Separator sizing with mist extractor

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Vertical Separator as per Petroleum and Gas Field Processing

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Horizontal Separator as per Petroleum and Gas Field Processing

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Vertical Separator as per API 12J

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Horizontal Separator as per API 12J

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Vertical Separator as per API 12J

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Horizontal Separator as per API 12J

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Vertical Separator As per Petroleum and Gas Field Processing

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Horizontal Separator as per Petroleum and Gas Field Processing

    Separator sizing without mist extractor

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    2/14

    INDEX

    Inlet Nozzle Momentum or Velocity Limit

    No Internal   Max. Momentum, ρm V2

    m ≤1400 Pa

    Half  open pipe   Max. Momentum, ρm V2

    m ≤2100 Pa

    Schoepentoeter used as inlet device   Max. Momentum, ρm V2

    m ≤8000 Pa

    Gas outlet Nozzle   Max. Momentum, ρg V2

    g,out ≤4500 Pa

    Liquid outlet Nozzle   Maximum velocity, 1 m/s

    System Characteristics Type of  Separator

    Large vapour, less liquid Load (by volume) Vertical

    Large liquid, less vapour Load (by volume) Horizontal

    Large vapour, large liquid Load (by volume) Horizontal

    Liquid‐liquid separation Horizontal

    Liquid‐solid separation Vertical

    DISCUSSION

    This spreadsheet provides an easy and simple approach to (2/3 phase and vertical/horizontal) separator sizing. 

    Formulae and references are also provided for process engineers to edit/duplicate this work (file is NOT 

    password protected).

    Two sets of  calculations are carried out here. 

    1. Separators with Mist Extractors and  2. 

    Separators without Mist Extractors

    Selection guideline for separator types

    There is as much art as there is science to properly design a separator. Three main factors should be 

    considered in separator sizing:  1) 

    vapor capacity, 2) Liquid capacity, and 3) operability.  The 

    vapor capacity will determine the cross‐sectional area necessary for gravitational forces to remove the liquid 

    from the vapor.  The liquid capacity is 

    typically set by determining the volume required to provide adequate residence time to “de‐gas” the liquid or 

    allow immiscible liquid phases to separate.  Operability issues include the separator’s ability to deal 

    with solids if  present, unsteady flow/liquid slugs, turndown, etc. Finally, the optimal design will usually result in 

    an aspect ratio that satisfies these requirements in a vessel of  reasonable cost. These factors often result in an 

    iterative approach to the calculations.

    Momentum & Velocity criteria for nozzles (Source: DEP 31.22.05.12 ‐ Gen.‐ 2008)

    Several useful guidelines for separator design are provided below;

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    3/14

    Level type Level setting

    Level Alarm High High (LAHH) 30  – 60 seconds or 200 mm whichever is greater

    Level Alarm High (LAH) 30  – 60 seconds or 200 mm whichever is greater

    Normal Alarm Level (NAL) 60% of  horizontal separator

    Level Alarm Low (LAL) 30  – 60 seconds or 200 mm whichever is greater

    Level Alarm Low Low (LALL)

    30  – 60 seconds or 200 mm whichever is greater Should be 

    at least 200 mm above the vessel bottom or maximum 

    interface level

    Separator type K factor (m/s)

    Horizontal (with vertical pad) 0.122 to 0.152

    Spherical 0.061 to 0.107

    Vertical or horizontal (with horizontal pad) 0.055 to 0.107

    At atmospheric pressure 0.107

    At 2100 kPa 0.101

    At 4100 kPa 0.091

    At 6200 kPa 0.082At 10300 kPa 0.064

    Wet steam 0.076

    Most vapours under vacuum 0.061

    Salt and caustic evaporators 0.046

    Typical K factors for the sizing of  wire mesh demisters (Source: IPS‐E‐PR‐880, 1997)

    Level setting in the separator

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    4/14

    INDEX

    A total cross sectional area of  the separator.

    Aw   cross sectional area of  the separator occupied by water, ft2

    Ao   cross sectional area of  the separator occupied by oil, ft2

    Ag   cross sectional area of  the separator occupied by gas, ft2

    CD   drag coefficientd vessel internal diameter, in.

    dm   bubble or drop diameter, μm

    D vessel diameter, ft

    h liquid height, in.

    hg   gas‐phase space height, in.

    ho   oil pad height, in.

    hw   water pad height, in.

    K mesh capacity factor, ft/sec

    Leff  or L   effective length of  the vessel where separation occurs, ft

    Lss or Ls   seam‐to‐seam vessel length, ft

    NLL   normal liquid level, %

    P operating pressure, psia

    Q c   continuous liquid‐phase flow rate, bbl/day

    Q g   gas flow rate, MMSCFD or ft3/s

    Q o   oil flow rate, bbl/day

    W or Q w   water flow rate, bbl/day

    Re Reynolds number

    T operating temperature, °R

    V liquid settling volume

    Va   max. allowable velocity through secondary separation section

    Vm   velocity of  the mixture, m/s

    Z gas compressibility

    μc   continuous phase dynamic viscosity, cp

    μw   water dynamic viscosity, cP

    ρ   density, lbm/ft3

    ρg   gas density, lbm/ft3

    ρl   liquid density, lbm/ft3

    ρo   oil density, lbm/ft3

    ρm   mean density of  mixture, kg/m3

    ρw   water density, lbm/ft3

    NOMENCLATURE

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    5/14

    INDEX

    API 12J, Specification for oil and gas separators, 1989

     

    Petroleum and Gas Field Processing ‐ Hussein K. Abdel‐Aal, Mohamed Aggour, M. A. Fahim

     

    IPS‐E‐PR‐880, 1997

    GPSA ‐ Engineering Data Book (12th Ed)

    http://books.google.com.qa/books?id=lpA83iVcaGYC&pg=PA159&lpg=PA159&dq=Kh+%3D+1.25+Kv+separ

    ator&source=bl&ots=fV8ewKHkag&sig=q70X8‐xfxPnk9MBMHgaEFwLhIhU&hl=en&sa=X&ei=M‐

    REFERENCES

    http://en.citizendium.org/wiki/Vapor‐liquid_separator 

    http://petrowiki.org/Separator_sizing 

    http://books.google.com.qa/books?id=BZOPlA‐

    SmMUC&pg=PA97&lpg=PA97&dq=%22three+phase%22+separator+L/D+ratio+%22GPSA%22&source=bl&ot

    http://en.wikipedia.org/wiki/Souders%E2%80%93Brown_equation

    http://www.cheresources.com/invision/topic/11856‐selecting‐vertical‐separator‐ld‐ratio/ 

    http://www.cheresources.com/invision/topic/17158‐three‐phase‐separator‐design‐suggestion‐needed/

    http://en.citizendium.org/wiki/Vapor‐liquid_separator 

    http://www.chemicalforums.com/index.php?topic=8913.0 

    http://www.chemicalforums.com/index.php?topic=9252.0 

    http://www.cheresources.com/invision/topic/41‐sizing‐a‐flash‐tank‐or‐vapor‐liquid‐separator/ 

    http://www.eng‐tips.com/faqs.cfm?fid=1153

    http://process‐designs.com/ 

    http://www.razifar.com/cariboost_files/Design_20Two_20Phase_20Separators_20Within_20the_20Right_2

    0Limits.pdf 

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    6/14

    STANDARD SEPARATOR SIZES AS PER API   INDEX

    D [in] x H or L [ft]

    12¾ in x  5 ft

    12¾ in x  7½ ft

    12¾ in x  10 ft

    16 in x 5 ft16 in x 7½ ft

    16 in x 10 ft

    20 in x 5 ft

    20 in x 7½ ft

    20 in x 10 ft

    24 in x 5 ft

    24 in x 7½ ft

    24 in x 10 ft

    30 in x 5 ft

    30 in x 7½ ft

    30 in x 10 ft

    36 in x 5 ft

    36 in x 7½ ft

    36 in x 10 ft

    36 in x 15 ft

    42 in x 7½ ft42 in x 10 ft

    42 in x 15 ft

    48 in x 7½ ft

    48 in x 10 ft

    48 in x 15 ft

    54 in x 7½ ft

    54 in x 10 ft

    54 in x 15 ft

    60 in x 7½ ft

    60 in x 10 ft

    60 in x 15 ft

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    7/14

    INDEX

    Q g   25 mmscfd

    Q o   3000 bbl/d

    γ   0.70

    ρ'o   40  o

    API

    γo   0.83

    P 814.5 psiaT' 80   oF

    T 540   oR

    MW 20.3 lb/lbmole Molecular weight

    t 1 minutes

    Z 0.84

    µg   0.013 cP

    H 10 ft

    K 0.30 ft/s

    NLL   30%

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   3.4 lb/ft3

    ρo   51.5 lb/ft3 Height, ft   Typical

     K

     factor

     range

    5 0.12 to 0.24

    Step 2:   10 0.18 to 0.35

    Va   1.13 ft/s

    Q g,a   4.55 ft3/s

    Ag,min   4.03 ft2 Oil Gravities

      Retention time, 

    minutes (Typical)

    Dmin   27 in   Above 35 oAPI   1

    20 to 30 oAPI   1 to 2

    Dselected   30 in   10 to 20 oAPI   2 to 4

    H 10 ft Shell height

    H / D 4.0 unitless Refer Note 4

    Step 3:

    V 2.6 bbl

    W 3777 bpd

    2. Additional resource for K factor from GPSA Engineering Data Book:

    K factor, m/s

    0.11

    0.11

    0.10

    0.09

    0.08

    0.07

    GPSA Notes:

    1. K = 0.107 at a gauge pressure of  7 bar. Subtract 0.003 for every 7 bar above a gauge pressure of  7 bar.

    2. For glycol or amine solutions, multiply above K values by 0.6  ‐0.8.

    3. Typically use one‐half  of  the above K values for approximate sizing of  vertical separators without mesh pads.

    4. For compressor suction scrubbers and expander inlet separators, multiply K by 0.7  ‐0.8.

    3. Additional resource for retention times from gas Conditioning and Processing, Volume 2.

    1 to 3 minutes

    10 to 15 minutes

    8 to 15 minutes

    4 to 7 minutes

    2 to 3 minutes4. As per GPSA, typical vertical H/D ratios are normally in the 2 to 4 range.

    Fractionation feed surge tanks

    Refrigerant surge tanks

    Refrigerant econonomizers

    7

    21

    42

    63

    105

    Natural gas‐oil

    Lean oil surge tanks

    Pressure, barg

    0

    Oil operating density

    Operating temperature

    Operating temperature

    Retention time (Refer Table 2)

    Gas compressibility

    Shell height (assume)

    Actual volume flow of  gas

    Minimum gas flow area

    Liquid volume (excluding bottom head)

    Liquid capacity of  separator should be 

    more than 3000 bpd (input value)

    Next larger and appropriate size

    INPUT PARAMETERS

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    SCHEMATIC

    Minimum ID of  separator

    Operating pressure

    Table 2

    Oil specific gravity

    Refer Table 1

    Normal liquid level (assume)

    Adjustment of  K factor for pressure

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Vertical separator: As per API 12J

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u     t     b    o    x    e    s  .

    NOTES

    1. The maximum allowable superficial velocity calculated from the above factors is for separators normally having a wire mesh mist extractor. 

    This rate should allow all liquid droplets larger than 10 microns to settle out of  gas.

    TABLES

    Table 1

    CALCULATIONS

    Gas operating density

    EQUATIONS

    Gas viscosity

    300 85

    600 80

    1150 75

    Pressure, psig % of  Design value

    Atm. 100

    150 90

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    8/14

    INDEX

    Q g   25 mmscfd

    Q o   3000 bbl/d

    γ   0.70

    ρ'o   40  o

    API

    γo   0.83

    P 814.5 psia

    T' 80   oF

    T 540   oR

    MW 20.3 lb/lbmole Molecular weight

    t 1 minutes

    Z 0.84

    µg   0.012 cP

    K 0.5 ft/s

    NLL   30%

    L 10 ft

    EQUATIONS

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   3.4  lb/ft3

    ρo   51.5  lb/ft3 Length, ft

      Typical K factor 

    range, ft/s

    10 0.4 to 0.5

    Step 2:   Other Lengths   0.4 to 0.5 x (L/10)0.56

    Va   1.881 ft/s

    Q g,a   4.55 ft3/s

    Ag,min   2.42 ft2 Oil Gravities

      Retention time, 

    minutes (Typical)

    Dmin   4 in   Above 35 oAPI   1

    Ag,min   2.42 ft2

    20 to 30 oAPI   1 to 2

    Error 0.00   10 to 20 oAPI   2 to 4

    Dselected   30 in

    L 10 ft

    L / D 4.0 unitless

    Step 3:

    V 3 bbl

    W 3644 bpd

    2. Additional resource for K factor from GPSA Engineering Data Book:

    K factor, m/s

    0.11

    0.11

    0.10

    0.09

    0.08

    0.07

    GPSA Notes:

    1. K = 0.107 at a gauge pressure of  7 bar. Subtract 0.003 for every 7 bar above a gauge pressure of  7 bar.

    2. For glycol or amine solutions, multiply above K values by 0.6 ‐ 0.8.

    3. For compressor suction scrubbers and expander inlet separators, multiply K by 0.7 ‐ 0.8.

    3. Additional resource for retention times from gas Conditioning and Processing, Volume2.

    1 to 3 minutes

    10 to 15 minutes

    8 to 15 minutes

    4 to 7 minutes

    2 to 3 minutes

    4. As per GPSA, typical horizontal L/D ratios are normally in the 2.5 to 5 range.

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u     t     b    o    x    e    s  .

    NOTES

    1. The maximum allowable superficial velocity calculated from the above factors is for separators normally having a wire mesh mist extractor. This 

    rate should allow all liquid droplets larger than 10 microns to settle out of  gas.

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Horizontal Separator: As per API 12J

    SCHEMATIC

    Normal liquid level (assume)

    Shell Length (assume)

    CALCULATIONS TABLES

    Refer Table 1

    INPUT PARAMETERS

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Refrigerant econonomizers

    Assume

    105

    Natural gas‐oil

    Lean oil surge tanks

    Fractionation feed surge tanks

    Refrigerant surge tanks

    0

    7

    21

    42

    63

    Liquid volume (excluding bottom head)

    Liquid capacity of  separator should be 

    more than 3000 bpd (input value)

    Pressure, barg

    Gas operating density   Table 1

    Oil operating density

    Actual volume flow of  gas   Table 2

    Minimum gas flow area

    Next larger and appropriate size

    Refer Note 4

    Adjustment of  K factor for pressure

    Retention time (Refer Table 2)

    Gas compressibility

    Gas viscosity

    Shell length

    Oil density

    Operating pressure

    Oil specific gravity

    Operating temperature

    Operating temperature

    Pressure, psig % of  Design value

    Atm. 100

    150 90

    300 85

    600 80

    1150 75

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    9/14

    INDEX

    Q g   8 mmscfd

    Q o   8000 bbl/d

    Q w   3000 bbl/d

    γ   0.70

    ρ'o   40  o

    API

    γo   0.83

    P 250 psia

    T' 60   oF

    T 520   oR

    MW 20.3 lb/lbmole Molecular weight

    H 18 ft

    to   5 minutes

    tw   5 minutes

    Z 0.84

    µg   0.013 cP

    K 0.35 ft/s

    NLL   50%

    EQUATIONS

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   1.1 lb/ft3

    ρo   51.5 lb/ft3 Height, ft

      Typical K factor range, 

    ft/s

    5 0.12 to 0.24

    Step 2:   10 0.18 to 0.35

    Va   2.4 ft/s

    Q g,a   4.58 ft3/s

    Ag,min   1.92 ft2 Oil Gravities

      Retention time, 

    minutes (Typical)

    Dmin   19 in   Above 35 oAPI   3 to 5

    Dselected   96 in   Below 35 oAPI

    H 18 ft Shell height   100+ o

    F   5 to 10

    H / D 2.3 unitless Refer Note 4   80+ o

    F   10 to 20

    60+ oF   20 to 30

    Step 3:

    V 81 bbl

    W 11602 bpd

    2. Additional resource for K factor from GPSA Engineering Data Book:

    K factor, m/s

    0.11

    0.11

    0.100.09

    0.08

    0.07

    GPSA Notes:

    1. K = 0.107 at a gauge pressure of  7 bar. Subtract 0.003 for every 7 bar above a gauge pressure of  7 bar.

    2. For glycol or amine solutions, multiply above K values by 0.6 ‐ 0.8

    3. Typically use one‐half  of  the above K values for approximate sizing of  vertical separators without mesh pads

    4. For compressor suction scrubbers and expander inlet separators, multiply K by 0.7 ‐ 0.8

    3. Additional resource for retention times from gas Conditioning and Processing, Volume2.

    1 to 3 minutes

    10 to 15 minutes

    8 to 15 minutes

    4 to 7 minutes

    2 to 3 minutes

    4. As per GPSA, typical horizontal H/D ratios are normally in the 2 to 4 range.

    Water rate

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Horizontal Separator: As per API 12J

    Oil specific gravity

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u     t     b    o    x    e    s  .

    SCHEMATIC

    INPUT PARAMETERS

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    Operating pressure

    Operating temperature

    Operating temperature

    Oil retention time (Refer Table 2)

    Water retention time (Refer Table 2)

    Gas compressibility

    Gas viscosity

    Refer Table 1

    Normal liquid level (assume)

    Shell height (assume)

    CALCULATIONS TABLES

    Gas operating density   Table 1

    Oil operating density

    7

    Next larger (than Dmin) and appropriate 

    size

    Liquid volume (excluding bottom head)

    Liquid capacity of  separator should be 

    more than 11000 bpd (input value)

    Actual volume flow of  gas

    1. The maximum allowable superficial velocity calculated from the above factors is for separators normally having a wire mesh mist extractor. This 

    rate should allow all liquid droplets larger than 10 microns to settle out of  gas.

    Pressure, barg

    0

    Table 2

    Minimum gas flow area

    Assume

    NOTES

    Fractionation feed surge tanks

    Refrigerant surge tanks

    Adjustment of  K factor for pressure

    Pressure, psig % of  Design value

    Atm. 100

    150 90300 85

    600 80

    1150 75

    Refrigerant econonomizers

    2142

    63

    105

    Natural gas‐oil

    Lean oil surge tanks

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    10/14

    INDEX

    Q g   8 mmscfd

    Q o   8000 bbl/d

    Q w   3000 bbl/d

    γ   0.70

    ρ'o   40 o

    API

    γo   0.83

    P 250 psia

    T' 60  o F

    T 520  o R

    MW 20.3 lb/lbmole Molecular weight

    L 18 ft

    to   5 minutes

    tw   5 minutes

    Z 0.84

    µg   0.013 cP

    K 0.35 ft/s

    NLL   50%

    EQUATIONS

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   1.1 lb/ft3

    ρo   51.5 lb/ft3 Length, ft

      Typical K factor range, 

    ft/s

    10 0.4 to 0.5

    Step 2:   Other Lengths   0.4 to 0.5 x (L/10)0.56

    Va   2.388 ft/s

    Q g,a   4.58 ft3/s

    Ag,min   1.92 ft2 Oil Gravities

      Retention time, 

    minutes (Typical)

    Dmin   2.4 in   Above 35 o

    API   3 to 5

    Ag,min   1.92 ft2

    Below 35 o

    API

    Error 0.00   100+ oF   5 to 10

    Dselected   78 in   80+ oF   10 to 20

    L 18 ft   60+ oF   20 to 30

    L / D 2.8 unitless

    Step 3:

    V 77 bbl

    W 11036 bpd

    2. Additional resource for K factor from GPSA Engineering Data Book:

    K factor, m/s

    0.11

    0.110.10

    0.09

    0.08

    0.07

    GPSA Notes:

    1. K = 0.107 at a gauge pressure of  7 bar. Subtract 0.003 for every 7 bar above a gauge pressure of  7 bar.

    2. For glycol or amine solutions, multiply above K values by 0.6 ‐ 0.8

    3. For compressor suction scrubbers and expander inlet separators, multiply K by 0.7 ‐ 0.8

    3. Additional resource for retention times from gas Conditioning  and Processing, Volume2.

    1 to 3 minutes

    10 to 15 minutes

    8 to 15 minutes

    4 to 7 minutes

    2 to 3 minutes

    4. As per GPSA, typical horizontal  L/D ratios are normally in the 2.5 to 5 range.

    Refrigerant econonomizers

    Water retention time (Refer Table 2)

    Water rate

    63

    105

    Natural gas‐oil

    Lean oil surge tanks

    Fractionation feed surge tanks

    Refrigerant surge tanks

    Pressure, barg

    0

    721

    42

    Liquid volume (excluding bottom head)

    Liquid capacity of  separator should be 

    more than 11000 bpd (input value)

    Three Phase (Gas ‐ Oil) Horizontal Separator: As per API 12J

    NOTES

    Gas operating density   Table 1

    Oil operating density

    Actual volume flow of  gas   Table 2

    Minimum gas flow area

    Assume

    TABLES

    Operating pressure

    CALCULATIONS

    Operating temperature

    Operating temperature

    Oil retention time (Refer Table 2)

    Gas compressibility

    Gas viscosity

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u

         t     b    o    x    e    s  .

    SCHEMATIC

    Oil specific gravity

    INPUT PARAMETERS

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    Refer Table 1

    Normal liquid level (assume)

    Shell Length (assume)

    Shell length

    Next larger (than Dmin) and appropriate 

    size

    Adjustment of  K factor for pressure

    Pressure, psig % of  Design value

    Refer Note

     4

    1. The maximum allowable superficial velocity calculated from the above factors is for separators normally having a wire mesh mist extractor. This 

    rate should allow all liquid droplets larger than 10 microns to settle out of  gas.

    600 80

    1150 75

    Atm. 100150 90

    300 85

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    11/14

    INDEX

    Q g   15 mmscfd

    Q o   3000 bbl/d

    γ   0.6

    ρ'o   35.0  o

    APIγo   0.85

    P 985 psia

    T' 60  o

    F

    T 520  o

    R

    t 3 minutes

    Z 0.84

    µg   0.013 cP

    dm   100 Micron

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   3.7  lb/ft3

    ρo   53.0  lb/ft3

    Step 2:   Determine Cd

    Cd   1.13 Assume

    u 0.41 ft/s

    Re 56

    Cd   1.16

    Error 0.00

    Step 3:   Check for gas capacity constraint

    D2

    974  in2

    Dmin   31.2 in

    Step 4:   Check for liquid capacity constraint

    D2H   77085

    Try different combinations of  D.

    D, in H, in   Ls, ft   SR

    30 85.7 13.5 5.4

    36   59.5 11.3   3.8

    42   43.7 10.5 3.0

    48   33.5 10.1 2.5

    54   26.4 10.0 2.2

    60   21.4 10.1 2.0

    66   17.7 10.3 1.9

    72   14.9 10.6 1.8

    78   12.7 10.9 1.784   10.9 11.2 1.6

    90   9.5 11.6 1.6

    Ls   11.3 ft

    SR 3.8

    D 36.0 in

    Settling velocity of  oil droplet

    Reynolds no.

    Use goal seek to get error zero, by changing 

    asssumed Cd

    Minimum allowable vessel diameter for separation 

    of  oil droplets down to 100 micron

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u     t

         b    o    x    e    s  .

    SCHEMATIC

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Vertical Separator: As per "Petroleum and Gas Field Processing ‐

    Hussein K. Abdel‐Aal, Mohamed Aggour, M. A. Fahim"

    EQUATIONS

    Retention time (Refer Table 1)

    Smallest oil droplet size to be removed

    CALCULATIONS

    Gas compressibility

    Gas viscosity

    INPUT PARAMETERS

    Oil specific gravity

    Operating temperature

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    Operating pressure

    Operating temperature

    Drag coefficient

    Gas operating density

    Oil operating density

    1. As per GPSA, typical vertical H/D ratios are normally in the 2 to 4 range.

    Slenderness ratio (typical value 3 to 4)  (select from Table 1)

    Seam to seam length (select from Table 1)

    Separator diameter (select from Table 1)

    1 to 2

    2 to 4

    20 to 30 oAPI

    10 to 20 

    o

    API

    TABLE 1

    TABLE 2 (Ref. API 12J)

    Retention time, 

    1

    NOTES

    Oil Gravities

    Above 35 o

    API

    Click me

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    12/14

    INDEX

    Q g   15 mmscfd

    Q o   3000 bbl/d

    γ   0.6

    ρ'o   35.0 o

    API

    γo   0.85

    P 985 psia

    T' 60 o

    F

    T 520 o

    R

    t 3 minutes

    Z 0.84

    µg   0.013 cP

    dm   100 Micron

    NLL   50%

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   3.7 lb/ft3

    ρo   53.0 lb/ft3

    Step 2:   Determine Cd

    Cd   1.2 Assume

    u 0.40 ft/s

    Re 55Cd   1.19

    Error 0.00

    Step 3:   Check for gas capacity constraint

    LD 83 in.ft

    Step 4:   Check for liquid capacity constraint

    D2L   12852 in

    2.ft

    Try different combinations  of  D.

    D, in   Lg, ft

    Ls, ft 

    (gas)   Lo, ft Ls, ft (oil)

    Governing 

    case

    SR = 12

     ls 

    (oil or 

    gas)/D

    6 13.85 14.35 357.00 476.0

    Liquid 

    Capacity   952.00

    12 6.93 7.93 89.25 119.0

    Liquid 

    Capacity   119.00

    24 3.46 5.46 22.31 29.8

    Liquid 

    Capacity 14.88

    30 2.77 5.27 14.28 19.0

    Liquid 

    Capacity   7.62

    36 2.31 5.31 9.92 12.4

    Liquid 

    Capacity   4.14

    42 1.98 5.48 7.29 9.8

    Liquid 

    Capacity   2.80

    48 1.73 5.73 5.58 8.1Liquid Capacity   2.02

    54 1.54 6.04 4.41 6.9

    Liquid 

    Capacity 1.53

    60 1.39 6.39 3.57 6.1 Gas capacity   1.28

    66 1.26 6.76 2.95 5.5 Gas capacity   1.23

    72 1.15 7.15 2.48 5.0 Gas capacity   1.19

    Ls   12.4 ft

    SR 4.1

    D 36 in

    Normal Liquid Level

    INPUT PARAMETERS

    Reynolds no.

    Smallest oil droplet size to be removed

    Operating temperature

    Operating temperature

    Drag coefficient

    Settling velocity of  oil droplet

    Gas operating density

    CALCULATIONS

    Use goal seek to get error zero, by changing 

    asssumed Cd

    Gas compressibility

    Gas viscosity

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    Operating pressure

    1. As per GPSA, typical horizontal L/D ratios are normally in the 2.5 to 5 range.

    2. If  D>30", Ls = 2.5 + Lo;

      Else, Ls = (4/3)*Lo

      Ref. http://process‐designs.com/separators_and_scrubbers/separators_and_scrubbers.jsp

    Two Phase (Gas ‐ Oil) Horizontal Separator: As per "Petroleum and Gas Field Processing ‐

    Hussein K. Abdel‐Aal, Mohamed Aggour, M. A. Fahim"

    Seam to seam length (select from Table 1)

    Slenderness ratio (typical value 3 to 5)  (select from Table 1)

    Separator diameter (select from Table 1)

    NOTES

    SCHEMATIC

    Oil specific gravity

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n

        p    u     t     b    o    x    e    s  .

    EQUATIONS

    Oil operating density

    Retention time (Refer Table 2)

    10 to 20 oAPI   2 to 4

    TABLE 2 (Ref. API 12J)

    Oil Gravities  Retention time, 

    minutes (Typical)

    TABLE 1

    Above 35 oAPI   1

    20 to 30 oAPI   1 to 2

    Click meClick me

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    13/14

    INDEX

    Q g   8 mmscfd

    Q o   8000 bbl/d

    Q w   3000 bbl/d   Water rate

    ρ'o   27.6  o

    API

    γo   0.89 Oil specific gravity

    µo   20 cP   Oil viscosity

    γw   1.04

    γ   0.65

    Z 0.89

    P 250 psia

    T' 95  o

    F

    T 555  o

    Rtw   10 minutes

    to   15 minutes

    µg   0.013 cP

    dm,w   500 Micron

    dm,o   100 Micron

    Step 1:   Determine gas and oil properties

    ρg   0.89  lb/ft3

    ρo   55.5  lb/ft3

    Step 2:   Determine Cd

    Cd   2.07 Assume

    u 0.65 ft/s

    Re 22Cd   2.09

    Error   0.00

    Step 3:

    D2

    min   28428 in2

    Dmin   168.6 in

    Step 4:   Check for gas capacity constraint

    D2

    min   1475 in2

    Dmin   38.4 in

    Dmin   168.6 in

    Step 5:   Check for liquid capacity constraint

    D2(Ho + Hw)   1286400 in

    3

    Try different combinations of  D.

    D, in   Ho + Hw, in Ls, ft

    SR = 12 Ls 

    / D

    16 5025 425.1 318.8

    20 3216 274.3 164.6

    24 2233 192.4 96.230 1429 125.4 50.2

    36 993 89.0 29.7

    42 729 67.6 19.3

    48 558 53.9 13.5

    54 441 44.6 9.9

    60 357 38.1 7.6

    120 89 20.8   2.1

    132 74 20.5   1.9

    Ls   20.8 ft

    SR 2.1

    D 120.0 in

    Q g   86 mmscfd

    Operating temperature

    Operating temperature

    Gas operating density

    Oil operating density

    CALCULATIONS

    Use goal seek to get error zero, by changing 

    Drag coefficient

    Settling velocity of  oil droplet

    Smallest water droplet size to be removed

    Determine minimum diameter for water droplet settling

    Larger of  Step 2 and 3 values

    Reynolds no.

    SCHEMATIC

         Y    e     l     l    o    w

     

         b    o    x    e    s    a    r    e     i    n    p    u     t     b    o    x    e    s  .

    EQUATIONS

    Three Phase (Gas ‐ Oil ‐ Water) Vertical Separator: As per "Petroleum and Gas Field Processing ‐

    Hussein K. Abdel‐Aal, Mohamed Aggour, M. A. Fahim"

    INPUT PARAMETERS

    Gas rate

    Gas specific gravity

    Oil rate

    Oil density

    Oil retention time (Refer Table 2)

    Gas compressibility

    Gas viscosity

    Smallest oil droplet size to be removed

    Operating pressure

    Water specific gravity

    Water retention time (Refer Table 2)

    Seam to seam length (select from table 1)

    Slenderness ratio (typical value 1.5 to 3)  (select from Table 1)

    Separator diameter (select from Table 1)

    NOTES

    1. As per GPSA, typical vertical H/D ratios are normally in the 2 to 4 range.

    Calculated gas capacity for selected L & D (Should be more than 8 MMSCFD ‐ input value)

    TABLE 1

    100+ 

    o

    F80+ 

    oF

    60+ oF

    Retention time, minutes 

    (Typical)

    3 to 5

    5 to 1010 to 20

    20 to 30

    TABLE 2 (Ref. API 12J)

    Oil Gravities

    Above 35 oAPI

    Below 35 oAPI

    Click me

  • 8/16/2019 How to Size a Separator

    14/14