Post on 29-Nov-2015
FACILIDADES DE SUPERFICIE
Universidad del Zulia
Facultad de Ingeniería
Escuela de Petróleo
PROFESORA: CARLA LOPEZ.
FACILIDADES DE SUPERFICIE
Objetivo del curso
Determinar las especificaciones necesarias para la selección de equipos
utilizados en los procesos petroleros
Instructor: Ing. Carla López
Pozos
Múltiple de producción Separación
Compresión de gas
Deshidratación de crudo
Almacenamiento de crudo
Tratamiento de gas
Liquido
Gas
FACILIDADES DE SUPERFICIE
FACILIDADES DE SUPERFICIE
- Cálculo de la caída de presión y velocidad del fluido.
- Selección de tuberías.
Contenido
Tema 1: Flujo de Fluidos
Fluido
Tubería
FACILIDADES DE SUPERFICIE
- Conocer los principios de operación básicos de los equipos de bombeo para líquido
Contenido
Tema 2: Bombeo de líquidos
- Conocer los principios de operación básicos de los equipos para compresión de gases.
Bombas
Tema 3: Compresión de Gas
Compresores
FACILIDADES DE SUPERFICIE
-Conocer los procesos de transferencia de calor.
- Características de los Intercambiadores calor, especialmente en el de carcaza y tubo.
Tema 4: Intercambiadores de calorContenido
Deflectores
CarcazaPlaca de tubo flotante
Boquilla de la carcaza
Boquilla de la carcaza
Boquilla de los tubos
Boquilla de los tubos
FACILIDADES DE SUPERFICIE
Materias base
Conocimientos básicos
- Termodinámica- Mecánica de los fluidos- Gasotecnia
- Matemática: Despeje de formulas, operaciones matemáticas en general, Procesos iterativos, elaboración de gráficos, etc.
- Transformación de unidades.
- Manejo de variables básicas: presión, temperatura, flujo, propiedades físicas y termodinámicas de los fluidos.
FACILIDADES DE SUPERFICIE
Fechas probables:1er parcial 19 al 24 de mayo2do parcial 16 al 21 de junio3er parcial 14 al 19 de julioRecuperativos: 21 al 26 de julio
Evaluación
3 parciales escritos
Nota: - Trabajos adicionales solo tendrán validez para aquellos estudiantes que aprueben al menos 1 parcial.
Tema 1Tema 2Tema 3
FACILIDADES DE SUPERFICIE
- Guía “Facilidades de Superficie”. Prof. Norka Barrios- Crane. Flujo de fluidos- Tuberías y redes de gas. Prof. Marcías Martínez- Libros de mecánica de los fluidos- Bombas. Mc. Graw Hill- Compresores. Mc. Graw Hill- Kern. Transferencia de calor- Guía de clase
Bibliografía
Flujo de fluidos
Facilidad para transferencia de
fluidos
Condiciones iniciales
FuenteCondiciones
finales
Cliente
Objetivo del estudio de flujo de fluidos
Flujo de fluidos
- Identificar las variables que intervienen
¿ Como lograr el objetivo?
Flujo de fluidos
- Ecuaciones que las relacionen
Tubería
Variables que intervienen
Flujo de fluidos
FlujoTipo de fluido
Propiedades del fluido
PresiónTemperatura
Condiciones Iniciales
1
PresiónTemperatura
Condiciones finales
2
Flujo de fluido
Longitud
Diámetro
Material Rugosidad
Cambio de elevación
(H o Z)
Existen tres variables que se relacionan entre si
Flujo de fluidos
Flujo
1 2
Diámetro
Caída de Presión
Selección de un diámetro adecuado
- Maneje el caudal requerido
- Caída de presión adecuada
Flujo de fluidos
Flujo
Variables
- Másico- Molar- Volumétrico
Gas (MMPCSD, SCFM)
Liquido petrolero (BPD, gpm)
=VQt
*=Q V AomQρ
=
Velocidad
SI (m3/s)Ingles (pie3/s)
Flujo de fluidos
Presión
Variables
- Atmosférica (barómetro)- Presión absoluta
=FPA
Manómetro
Presión del fluido
- Presión manométrica
Tipo Bourdon
(Atmosférica)
SI (N/m2, Pa, KPa) Ingles (Lb/pul2)
Bar, atm
Unidades
- Presión diferencial
Flujo de fluidos
Presión
Variables
- Hidrostática- Diferencial (Pa, psi)
ρ (lb/pie3)H (altura)
A (área)
P = ρ. H .g + PoPresión en el fondo
Presión sobre el fluido (Po)
- Cabezal de liquido (metros, pies)
Flujo de fluidosVariables
3
2
2
( )* ( / )( )144
1
h pie lb pieDP lpcpul
pie
ρ=
50 pies Pboquilla
Presión - Diferencial (Pa, psi)- Cabezal de liquido (metros, pies)
Manómetro
Tanque
Manómetro 1
Manómetro 2
Columna de liquido
Columna de liquido
Flujo de fluidosVariables
Temperatura - Sistema Internacional (K, °C)- Sistema Ingles (°R, °F)
Longitud y cambios de elevación Z o H
Longitud
Unidades: metros, kilómetros, pies, millas, mm.
Diámetro (Interno)
Variables
Flujo de fluidos
D interno D externo
Espesor
- Sistema Internacional (m, mm)- Sistema Ingles (pulgadas)
Tubería
D int 1
D externo
D int 2 D int 3
Las tuberías están disponibles para varios diámetros internos
Flujo de fluidos
Cont….
Flujo de fluidos
Rugosidad
Variables
- Material
- Uso de la tubería
Los metales son rugosos
Nueva 0,002 pulgadas
Existente 0,2 mm
Acero comercial 0,05 mm
Flujo de fluidos
Propiedades del fluido
VariablesLíquidos
Densidad: también se utiliza la gravedad específica.
141,5 131,5.
APIs g
= −
ρliq@ 60 °F = s.g. x ρagua@ 60 °F
Sistema Inglés:ρagua @ 60 °F = 0,9990109 g/cm3 = 62,37 lb/pies3
ρagua @ 60 °F = 1 g/cm3 = 62,427 lb/pies3
Sistema Internacional:ρ = Kg/m3
Flujo de fluidos
Propiedades del fluido
VariablesLíquidos
Viscosidad (dinámica) absoluta (µ )unidades cp, lbm/ (pie.s)
Para transformar: cp x (0,000672)= lbm/ (pie. seg)Sistema Internacional kg/ m.s , Pa.s
Viscosidad cinemática (v)unidades centistokes (cst), pie2/s
Para transformar: cst x (1,07639x10-5)= pie2/sSistema Internacional m2/s
Para transformar de µ a v v (cst)= µ (cp)/ s.g.
Flujo de fluidos
Propiedades del fluido
VariablesGases
.. .g
m P PMV RT z
ρ = =
Densidad
Viscosidad (dinámica) absoluta (µ )unidades cp, lbm/ (pie.s)
Peso Molecular de la Mezcla
1
N
gas i ii
PM y PM=
= ∑
. . gasg
aire
PMs g
PMγ = =
Gravedad específica
Flujo de fluidosEcuaciones matemáticas
Tubería
Balance de energía mecánicaTeorema de Bernoulli
“La suma de la energía cinética, potencial y de flujo de una partícula de fluido es constante a lo largo de una línea de corriente, cuando los efectos de la compresibilidad y de la fricción son despreciables”
Energía cinética
Z o H
1
2Velocidad
Energía potencial
Cambio de la elevación
Energía de un fluido
Entalpía
Flujo de fluidosEcuaciones matemáticas Teorema de Bernoulli
Z o H
1
2
2 21 2
1 1 2 2. .2 2
+ + + − = + +V Vh Z g Q W h Z g
Ph uρ
= +
2 21 1 2 2
1 1 2 21 2
. .2 2ρ ρ
+ + + + − = + + +P V P Vu Z g Q W u Z g
Energía potencial, Energía cinética y la energía del fluido, trabajo y calor
Si por termodinámica se tiene que
Flujo de fluidosEcuaciones matemáticas Teorema de Bernoulli
2 21 1 2 2
1 1 2 21 2
. .2 2ρ ρ
+ + + + − = + + +P V P Vu Z g Q W u Z g
Flujo isotérmico: T= cte por tanto la energía interna es constante.Flujo incompresible= densidad = cte.El sistema no tiene ni Q y W (recibe o genera).
2 21 1 2 2
1 2. .2 2ρ ρ
+ + = + +P V P VZ g Z g
Si se divide la ecuación entre g
2 21 1 2 2
1 22. 2.γ γ+ + = + +
P V P VZ Zg g
Flujo de fluidosEcuaciones matemáticas Teorema de Bernoulli
Entonces se agregó el término de perdida de energía asociada a la fricción.
Perdida de energíaFricción que se genera con las paredes de la tubería
Presencia de accesorios
Cambio de dirección del fluido en la tubería
2 21 1 2 2
1 22. 2.γ γ+ + = + + + L
P V P VZ Z hg g
Flujo de fluidos
Cont….
Flujo de fluidosPerdida de energía hL
2 21 1 2 2
1 22. 2.γ γ+ + = + + + L
P V P VZ Z hg g
Para el cálculo de la pérdida por fricción se emplea generalmente la ecuación de Darcy-Weisbach, expresada como:
Factor de fricción que es un factor adimensional que relaciona la turbulencia del fluido, viscosidad y el grado de rugosidad de la tubería.
2 . .2. .V L fhf
D gc=
Nota: hf = hL
Flujo de fluidosFactor de fricción
fNre
εD
Para la turbulencia del fluido y el movimiento de las partículas del fluido dentro de la tubería también, se establecieron patrones de flujo para clasificar este movimiento.
Patrones de flujo
Laminar Transición Turbulencia
Flujo de fluidosECUACIÓN DEL NÚMERO DE REYNOLDS
Número de Reynolds (NRe), el cual es un factor adimensional que establece la relación de las fuerzas dinámicas de un flujo determinado y el esfuerzo de corte debido a la viscosidad.
Laminar: NRe < 2000. Algunos autores NRe < 2100.Transición: NRe entre 2000 y 4000. Turbulento: NRe > 4000.
Flujo de fluidosECUACIÓN DE DARCY- WEISBACH
La ecuación puede presentarse en varias unidades:
Flujo de fluidosDiagrama de Moody
Flujo de fluidosECUACIONES PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR DE FRICCIÓN
Flujo de fluidosNORMATIVA DE DISEÑO
Los parámetros que ayudan al diseño son:
- La caída de presión máxima permitida - La velocidad.
Velocidad
Caída de Presión
NORMAS Recomendaciones para el diseño
Nacionales
Internacionales
COVENIN, PDVSA
API, ASTM
Flujo de fluidosNORMATIVA DE DISEÑO (VELOCIDAD)
Velocidad
Según la API 14E Velocidad recomendada entre 3 – 15 pie/s=
QVA
Flujo de fluidosNORMATIVA DE DISEÑO (VELOCIDAD)
Según la norma PDVSA
Flujo de fluidosNORMATIVA DE DISEÑO (VELOCIDAD)
Según la norma PDVSA
Flujo de fluidosNORMATIVA DE DISEÑO (CAÍDA DE PRESIÓN PERMITIDA)
Según la norma PDVSA
Flujo de Gases
Flujo de Gases
Comportamiento del gas
Volumen Volumen
PP
TT
Z (P, T, fluido)
. . .n R T zVP
=
- Composicional
- Gravedad especifica
Flujo de Gases
Comportamiento del gas en una tubería
P1 P2
P1 P2>
VolumenQTiempo
=. . .n R T zV
P=
El gas se expande dentro de la tubería
El caudal de operación es
variable
Flujo de Gases
Flujo del gas en una tubería
Norma Venezolana COVENIN 3568-1:2000
Flujo de gas
- Másico- Molar- Volumétrico
Q (MMPCED, SCFM, m3/h)
Operación
Condiciones de referencia
Q (P, T)
Sistema Internacional Temperatura 288,15 K (15 °C) y Presión 101,325 kPa (760 mm Hg)
Sistema Inglés:Temperatura 60 °F y Presión 14,6959 psia(760 mm Hg)
Condiciones de referencia
Flujo de Gases
Diferencia entre caudal de operación y estándar
Si el flujo de gas es 100 MMPCED
¿Realmente circula ese flujo de gas a través de la tubería?
. .
. .CE CE CO CO
CE CE CO CO
P Q P QT z T z
=
Condiciones estándar Condiciones de operación
PCE= 14,7 psia
TCE = 60 °F = 520 °RQCE = XX MMPCED
PCO
TCO
QCO
Conocido
Calculado
Se aplica la ecuación de gas
para ambas condiciones
Flujo de Gases
Caída de presión en una tubería
El flujo de gas en tuberías es mas complejo que el
liquido
.. .g
m P PMV RT z
ρ = =
Dependencia con la Densidad
2 . .2. .V L fhf
D gc=
La ecuación de Darcy se aplica donde la densidad
es esencialmente constante
No es recomendable
para fluidos compresibles
Flujo de Gases
Caída de presión en una tubería
Para predecir el flujo de gas en tuberías se utilizan correlaciones empíricas basadas en una formula general
( ) 0,52 2 51 2.. . . .
b
b g prom
P P dTQ CP z T f Lγ
⎡ ⎤−⎛ ⎞⎢ ⎥= ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎣ ⎦
Q = Flujo de gasC = ConstantePb = Presión baseTb = Temperatura baseP1 = Presión aguas arriba
P2 = Presión aguas abajod=Diámetro internoT = Temperatura L=Longitud de la tuberíaf = Factor de fricción
Donde =
Flujo de Gases
Formula General para Gases
( ) 0,52 2 51 2.. . . .
b
b g prom
P P dTQ CP z T f Lγ
⎡ ⎤−⎛ ⎞⎢ ⎥= ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎣ ⎦
Consideraciones de la formula general
Cambio de energía cinética se desprecia
Temperatura constante
Sin cambio de elevación
A partir esta ecuación se generaron varias
correlaciones
1f
Se desarrollaron varias ecuaciones a partir de la formula general en función
del factor de fricción
Flujo de Gases
Ecuaciones para el flujo de Gases
Las correlaciones investigadas por los diferentes autores caen dentro de cuatro clasificaciones
El coeficiente de fricción es una constante numérica
1f
RixPole
El coeficiente de fricción es función del diámetroSpitglass Weymouth
El coeficiente de fricción es función del numero de Reynold
Panhandle APole
Unwin Oliphant
Panhandle B BlasiusMueller
Fritzsche
El coeficiente de fricción es función del numero de Reynold y el diámetro de la tubería
Lees
Flujo de Gases
Ecuaciones para el Flujo de Gases
Ecuación de Weymouth
( ) ( )
0,52 2
2,6671 2433,5 . . . .. . . . .
b
b m prom prom
T P PQ E dP s g L T z
⎡ ⎤⎛ ⎞ −= ⎢ ⎥⎜ ⎟
⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎣ ⎦
La ecuación esta dentro de la segunda clasificación, ya que el coeficiente de fricción de es
una función del diámetro interno de la tubería: 0,333
0,008fd
=
Si se sustituye en la ecuación general, se obtiene:
. .s gγ =Nota:
Flujo de Gases
Ecuaciones para el Flujo de Gases
Ecuación de Panhandle A:
Si se sustituye en la ecuación general, se obtiene:
. .s gγ =Nota:
El factor de fricción puede expresarse en función del número de Reynolds, en virtud de la siguiente relación empírica.
( ) 0,07301 6,872 ReNf=
( )( )
6182,2
5392,0
prompromm853,0
22
21
0788,1
b
b d.z.T.L..g.s
PP.E.
PT
.87,435Q⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Flujo de Gases
Ecuaciones para el Flujo de Gases
Ecuación de Panhandle B:
Si se sustituye en la ecuación general, se obtiene:
. .s gγ =Nota:
El factor de fricción puede expresarse en función del número de Reynolds, en virtud de la siguiente relación empírica.
( ) 0.019611 16,49 ReNf=
( )( )
53,2
51,0
prompromm961,0
22
21
02,1
b
b d.z.T.L..g.s
PP.E.
PT
.737Q⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Flujo de Gases
Aplicación de las ecuaciones para flujo de gases
0,88 – 0,94Totalmente turbulento 4x106 < NRe < 4x107
D>12”
Panhandle B
0,9 – 0,92Alta presión y gran diámetroParcialmente turbulento 4x106 < NRe < 4x107
D>12”
Panhandle A1Diámetros ≤ 12”WeymouthEAplicaciónAutor
E (Eficiencia) Factor de corrección basado en la experiencia
Flujo de Gases
Cambio de elevación
Las ecuaciones se corrigen agregando un factor Ch:
( ) 0,52 2 51 2.
. . . .hb
b g prom
P P d CTQ CP z T f Lγ
⎡ ⎤− −⎛ ⎞⎢ ⎥= ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎣ ⎦
Corrección por nivel
( ) 22 10,0375. .
.prom
hprom
h h PC
z T−
= Ch = Factor de corrección por nivelh2 – h1 = Cambio de elevación, pies
Donde =
Flujo de Gases
( )
3
5
43
2 a
mprom
aaa2
2
2
2
1
1
a
b
b1 L.T
1.d..g.s1.
zP
zP.
PT
.E.aQ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Ecuación general en función de constantes
Turbulencia desarrolladaD>12”
2,5300,49010,51001,020737Panhandle B
4x106 < NRe < 4x107
D>12”2,6182
0,45990,53921,0788435,87Panhandle A
D ≤ 12”2,6670,5000,5001,000433,5Weymouth
a5a4a3a2a1
AplicaciónValores de las constantes
Autor
Flujo de Gases
NORMA PDVSA 90616.1.024 “DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS DE PROCESO”Recomendaciones para Gases:
0,5 – 1,0Por encima de 200
0,25 – 0,550 – 100
0,125 – 0,25Descarga, por debajo de 50
0,50Por encima de 200
0,2550 - 100
0,12510 - 50
0,05 – 0,125Succión, 0 - 10
Compresor (lpcm)
0,5 - 2Líneas de Transferencia
Caída de presión(psi/100 pies de tubería)SERVICIO
CAÍDAS DE PRESIÓN RECOMENDADAS
NORMATIVA DE DISEÑO (CAÍDA DE PRESIÓN PERMITIDA)
Flujo de Gases
100 a 170120 a 22080 a 14020
90 a 160110 a 21075 a 13516 a 18
80 a 145100 a 19070 a 13012 a 14
65 a 12580 a 16065 a 1258 a 10
45 a 9050 a 12060 a 1206
35 a 7045 a 9050 a 1103 a 4
30 a 6040 a 8045 a 1002 o menor
Veloc. (pie/s)Veloc. (pie/s)Velc. (pie/s)
150 a 250 lpcm5 a 150 lpcmMenor de 50 lpcmD Nominal (plg)
VELOCIDADES TÍPICAS EN LÍNEAS DE GASES Y VAPOR
NORMATIVA DE DISEÑO (VELOCIDAD)
NORMA PDVSA 90616.1.024 “DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS DE PROCESO”Recomendaciones para Gases:
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Existen tres problemas o casos básicos en el flujo de fluidos
Caudal Diámetro
Caída de Presión
Cálculo del Diámetro
Cálculo del Caudal
Cálculo de la Caída de presión Problema tipo I
Problema tipo II
Problema tipo III
Q D
∆Ptotal
P1 P2
L
PF (µ, ρ)
ε (rugosidad)
CT (L, D, ε, ∆Z)
Variables que intervienen en el cálculo
Z1 Z2T
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Q, ∆PtotalCT,PF (µ, ρ),
Cálculo de la Caída de presión Problema tipo I
Líquidos
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se aplica la ecuación de Bernoulli
2) Se calcula el Nre y ε/D
3) Se calcula el factor de fricción
4) Se calcula la pérdida por fricción
5) Se resuelve la ecuación de Bernoulli
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
∆PtotalCT,PF (µ, ρ),
Cálculo de la Caída de presión Problema tipo I
Gases
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se selecciona la ecuación adecuada
2) Se despeja de la ecuación general el término
3) Se calcula la caída de presión
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Q ,T,
Q, T, ∆PtotalCT,PF (µ, ρ),
Cálculo de la Caída de presión Problema tipo I
Gases
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se selecciona la ecuación adecuada
2) Se despeja de la ecuación general
3) Se calcula a través de un proceso de ensayo y error.
P1 ó P2
(Cálculo de alguna de las presión inicial o final)
ó
P1 ó P2
4) Se asume zasum se despeja ó P1 ó P2
5) Con y la temperatura se calcula zcal y se compara con
zasum. Si son diferentes se regresa al paso 4)P1 ó P2
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Q∆Ptotal CT,PF (µ, ρ),
Cálculo del CaudalProblema tipo II
Líquidos
Conocido Calcule
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
Procedimiento de calculo:
2) Se asume un Nre alto Nre 1x107
3) Con ε/D se asume un fasum
4) Se despeja caudal de
5) Con Q se calcula el Nre
6) Con Nre y ε/D se calcula fcal. Se compara fasum con f cal. Si (fasum – fcal)/fasum < 10-3 termina la iteración.
1) Se aplica la ecuación de Bernoulli
Cálculo del CaudalProblema tipo II
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
T, CT,PF (µ, ρ),
Gases
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se selecciona la ecuación adecuada
2) Se calcula z1 y z2
3) Se calcula el caudal
P1 y P2 Q
Q, ∆PtotalPF(µ, ρ),
Cálculo del diámetro Problema tipo III
Líquidos
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se aplica la ecuación de Bernoulli
2) Se asume un fasum = 0,02
3) Se despeja D de
4) Se calcula D con la ecuación despejada del paso 3)
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
, (L, ε, ∆Z) D
5) Con Nre y ε/D se calcula fcal. Se compara fasum con f cal. Si (fasum – fcal)/fasum < 10-3 termina la iteración.
Problemas Básicos de Flujo de Fluidos
T, PF (µ, ρ),
Gases
Conocido Calcule
Procedimiento de calculo:
1) Se selecciona la ecuación adecuada dependiendo
de la aplicación
3) Se despeja el diámetro
P1 y P2Q,
Cálculo del diámetro Problema tipo III
2) Se calcula z1 y z2
D(L, ε, ∆Z),
FLUJO BIFÁSICO
Son comunes los fluidos bifásicos en la
industria petrolera
Mezcla Gas + Petróleo
Gas + Petróleo + Agua
Diferencia con el fluido monofásico:
Grado de vaporización
Propiedades del fluido
Orientación de la tubería
Métodos de Cálculo:
Fases separadas
Fase homogénea
- Beggs and Brill
- Duns y Ros
- Dukler
FLUJO BIFÁSICO
Grado de vaporización
LíquidoGas
Líquido
Gas
Holdup de líquido (HL)Cuando existe flujo bifásico el líquido tiende a estancarse en la parte baja de la tubería. Esto ocurre porque el gas viaja más rápido que el líquido.
Propiedades del fluido
.
. .gP PMR T z
ρ =
( ) ( )350,4. . . 0,0764. . . .5,615.
o g so
o
s g s g RB
ρ+
=
. .L o o w wf fρ ρ ρ= +
oo
o w
qfq q
=+
1w of f= −
Gas
LíquidoPetróleo +Agua
gasg
QV
A=
Relación Gas-Líquido
Tipo Burbuja (Bubble)Líquido
Gas
Líquido
GasTipo Tapón
(Plug)
Líquido
Gas Tipo Estratificado (Stratified)
Tipo Ondulante (Wavy)Líquido
Gas
Gas
Líquido
Tipo Marea (Slug)
LíquidoGas Tipo Rocío
(Spray)
Líquido
LíquidoGas
Tipo Anular (Annular)
Patrones de flujo para tuberías horizontales
Mapa de Régimen de Flujo Horizontal
LsL
QVA
=
gsg
QV
A=
Velocidad superficial del líquido
Velocidad superficial del gas
Método de Dukler
( )
2
0,14623n tpr K m mf f V L
Pd
ρ∆ =
( )( )
22 11gL
KLd LdH H
ρ λρ λρ−
= +−
L
L g
QQ Q
λ =+
( ) 0,320,0056 0,5 Ren yf
−= +
( )124,0Re K m
yn
V dρµ
=
m sL sgV V V= +
( )1n L gµ µ λ µ λ= + −
Caída de Presión:
Número de Reynolds:
Viscosidad de la mezcla:
Fracción de volumen de liquido:
Densidad de la mezcla:
Velocidad de la mezcla:
Factor de fricción de fase simple:
Relación del factor de fricción para flujo en dos fases:
tprf (Gráfico)
Holdup de liquido
LdH (Gráfico)
Relación del factor de fricción para flujo en dos fases
Holdup de líquido
Método de Dukler
ftpr
Fracción de volumen de liquido λ
HLd
Rey
Fracción de volumen de liquido λ
Sistemas de Tuberías
Sistema de Tuberías
Longitud equivalente
P1 P2(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2
Q
Q
Dos tuberías son equivalentes para el mismo flujo se genera la misma caída de presión
hf2=hf1
Q2=Q1
Sistema de Tuberías
Longitud equivalente
P1 P2(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2
Q
Q
Líquidos
5
1 22 1
2 1
. .D
D
f DL Lf D
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
5
11
1
. . eDe
De
DfL Lf D
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠
Forma General:
Sistema de Tuberías
Longitud equivalente
P1 P2(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2
Q
Q
Gases
53
22 1
1
.
aadL L
d⎛ ⎞
= ⎜ ⎟⎝ ⎠
Forma General:5
3
11
.
aa
ee
dL Ld
⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠a3
a5 Constantes que dependen de la ecuación seleccionada
Sistema de Tuberías
Tuberías en serie
(L1 , D1 , ε1) (L2 , D2 , ε2)P1 P2Q (L3 , D3 , ε3)
∆Ptotal ∆Pf1 ∆Pf2 ∆Pf3= + +Q1 Q3Q2= =
1
N
ii
P P=
∆ = ∆∑1
N
e total e ii
L L=
= ∑
El concepto de Le puede ser útil para simplificar los cálculos
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2QT
(L3 , D3 , ε3)
Qtotal Q1 Q2 Q3= + + 1
N
Total ii
Q Q=
= ∑∆Ptotal ∆Pf1 ∆Pf2 ∆Pf3= = =
∆Ptotal
% .100ii
T
QQQ
=
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2QT
(L3 , D3 , ε3)
15 2
15 2
1
.% .100
.
i
i ii
Ni
i i i
DL f
QD
L f=
⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠= ⎢ ⎥⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
∑
∆Ptotal
Líquidos
La distribución del flujo en las tuberías puede calcularse con la ecuación
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2QT
(L3 , D3 , ε3)
5
3
5
31
% .100
aiai
i aNia
i i
dL
QdL=
⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑
∆Ptotal
Gases
La distribución del flujo en las tuberías puede calcularse con la ecuación
a3
a5 Constantes que dependen de la ecuación seleccionada
Sistema de Tuberías
Longitud equivalente para Tuberías en paralelo
(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2QT
(L3 , D3 , ε3)
( )
2
15 2
15 2
1
1
.
ee
Nei
i i i
DL
f DL f=
⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥
= ⎢ ⎥⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
∑
Líquidos
El sistema de tuberías en paralelo también puede simplificarse
aplicando el concepto de Longitud Equivalente
LeQT
Sistema de Tuberías
Longitud equivalente para Tuberías en paralelo
(L1 , D1 , ε1)
(L2 , D2 , ε2)P1 P2QT
(L3 , D3 , ε3)
3
5
5
3
1
1
a
ae
e aNia
i i
dLdL=
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟=⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠∑
Gases
El sistema de tuberías en paralelo también puede simplificarse
aplicando el concepto de Longitud Equivalente
Le
a3
a5 Constantes que dependen de la ecuación seleccionada
QT
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo
PA
PBQo
(L , D)
Las tuberías enlazadas se utilizan para mejorar la capacidad de una instalación
Lazo
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X Se agrega una tubería en una parte de la tubería principal, el cual puede ser de diámetro igual o
diferente
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo
PA
PBQo
(L , D)
El lazo puede mejorar la capacidad de la tubería
Lazo
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X
Incrementar Q manteniendo
Disminuyendo manteniendo Q
∆P
∆P
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo
PA
PBQo
(L , D)
El lazo puede mejorar la capacidad de la tubería
Lazo
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X
Incrementar Q manteniendo
Disminuyendo manteniendo Q
∆P
∆P
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo Lazo
Incrementar Q manteniendo ∆PLíquidos
Qo Qn>
Dlazo DTub principal=
PA
PBQo
L , D
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X,
(L - X) , D
D2
2
4 . 13
o
n
QXL Q
⎡ ⎤= −⎢ ⎥
⎣ ⎦Longitud del lazo
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo Lazo
Incrementar Q manteniendo ∆PGases
Qo Qn>
Dlazo DTub principal=
PA
PBQo
L , D
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X,
(L - X) , D
D3
3
1
14 . 13
ao
an
QXL Q
⎡ ⎤= −⎢ ⎥
⎣ ⎦Longitud del lazo
Sistema de Tuberías
Tuberías en paralelo Lazo
Incrementar Q manteniendo ∆P
Gases
Qo Qn>
Dlazo DTub principal≠
PA
PBQo
L , D
Fuente
Fuente
PC
PA
PBQn
X,
(L - X) , D
DL
( )
0,5
2
1
11 . 11
n
o
QQ X
L w
=⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟+ −
⎜ ⎟⎢ ⎥+⎝ ⎠⎣ ⎦Longitud del lazo
0,52,5
. oL
L
fDwD f
⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
5aLDw
D⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
Líquidos
Redes de Tuberías
Redes de Tuberías
Red
Le
1
2QT QT
QT
Sistema en paralelo Sistema en red
Cuando el sistema no puede transformarse con Le,
estamos en presencia de una RED
1
2Qi Qf
Salida de Gas
QT
Qi Qf≠
Un sistema en paralelo puede reducirse a un sistema simple
aplicando Le
Redes de Tuberías
Red
Partes de la RedQB
1
2
QCQA3
Nodos (Uniones)
Tuberías (Tramos)
Malla
QA QB QC+= Se debe calcular la distribución del Q
Redes de Tuberías
AplicaciónSistema de espina
de pescado
Redes de Gas Municipal
Fuente de Gas
Redes de Tuberías
AplicaciónSistema de espina
de pescado
Redes de Gas Municipal
Sistema en RedFuente de Gas
Fuente de Gas
Fuente de Gas
Fuente de Gas
Métodos de calculo de una red
Redes de Tuberías
- Hardy Cross
- Renouard
Fuente de Gas
Fuente de Gas
Se utilizan para calcular la distribución del flujo
Q ?
Q ?
Q ?Q ?
Q ?
Q ?Q ?
Entra = Sale
entra SaleQ Q=∑ ∑
0P∆ =∑Conservación de la energía
Conservación de la masa
Métodos de calculo de una red
Redes de Tuberías
- Hardy Cross
Qo Qn
Qn Qo ∆Qo+=
Se asume una distribución
inicial
Proceso iterativo
Caudal final
Entra = Sale
entra SaleQ Q=∑ ∑
En un nodo se debe cumplir:
Se debe iterar para disminuir el error
Error entre los caudales
1
1
. .
.
no o
no
L Q QQ
n L Q
−
−∆ = −∑∑
3
1n a=
Error para redes de gas con tramos del mismo diámetro
n= 2 para weymouthn= 1,854 para PAn= 1,96 para PB
Bombeo de líquido (Bombas)
Ing. Carla López
S DFuente Cliente
Fuente Cliente
Motor
Presión D > Presión S
Bomba
Transferencia de líquido a través de tuberías
Función principal: Incrementar presión
Clasificación de bombas
Desplazamiento Positivo (DP) Cinéticas Otras
Reciprocantes Rotatorias
PistónPlungerDiafragma
Periféricas
Engranaje Tornillo Lóbulos
Centrífugas
Turbina Flujo Radial
Flujo Axial
Flujo Mixto
Eyectoras Gas lift
DP: Entregan una cantidad definida del fluido por cada carrera del pistón, diafragma o revolución de la pieza móvil principal.
Centrífugas: Entregan un volumen variable o caudal del fluido con diferentes cargas a velocidades de rotación (del elemento móvil del equipo) constantes.
X
X: Carrera del pistón
Ventas de Bombas
Centrífugas
Rotativas
Reciprocantes
Simbología
Centrífugas
ReciprocantesRotativas
Bombas centrífugas
Bomba centrífuga
Impulsor
Impulsor
Impulsor cerrado
Impulsor abierto
Venas
Bomba Horizontal de etapa simple
Bomba Vertical
Fuente: GPSA, 1998.
Tipos de Bombas Centrífugas
Descarga
Succión
Eje
Cojinetes (soportes)
Alojamiento de la empaquetadura
CubiertaImpulsor
AnillosDescarga
Succión
Anillos
Cubierta Impulsor
Eje del motor
Eje de la bomba
Cojinetes (soportes)
Acoplamiento
Tipos de Bombas Centrífugas
P2P1
Motor
AguaFE
Q
Elemento de medición de flujo
∆P
Construcción de la curva de una bomba centrífuga
lpc pie de líquido144
pielb.)pie(TDH
)lpc(P3 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ρ
=∆
∆P TDH
Cab
ezal
diná
mic
oto
tal (
TDH
)
Caudal (Q)
Cab
ezal
diná
mic
oto
tal (
TDH
)
Caudal (Q)
Prueba de capacidad de la bomba para una velocidad (RPM) y
diámetro del impulsor fijo
Válvula de estrangulamiento
Fuente: GPSA, 1998.
Curva de una bomba centrífuga
Varios diámetros
del impulsor
Velocidad fija
BEP (Best
EfficiencyPoint)
Curva de una Bomba Centrífuga
Hoja de Especificación (Data Sheet)
Análisis de un sistema de bombeo
P1
P2
S D
Z2
Z1
Wbomba?
Energía para que el equipo funcione
Energía requerida (TDH)
Balance entre los puntos 1 a 2 con la ecuaciónde Bernoulli
Wbomba
Análisis de un sistema de bombeo
P1
P2
S D
Z2
Z1
( ) DfSfc
21
22
c
1212b hh
g2VVg
gZZPPTDHw ++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ρ−
==−
Cabezal estático Cabezal dinámico
Ecuación para calcular el Cabezal Dinámico Total (TDH)
)lpc(PPP bombaSD ∆+=
144pie
lb.)pie(TDHPP
3
SD
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ρ
+=
Depende del caudal (Q)
Cabezal estático
Capacidad (Q)
Cabezal dinámico
Punto de operación de una bomba centrífuga
Fuente: GPSA, 1998.
Cab
ezal
tota
l
El punto de operación de una bomba centrífuga debería coincidir
con el BEP
Variables importantes en la operación de la bombaCondiciones de succión:
• Presión de succión: Para que el fluido sea líquido dentro de la bomba la Psucción > Pvapor a la temperatura de bombeo.
Temperatura
Pres
ión
de v
apor
Fluido puro
Líquido
VaporPV
PS
Temperatura
Pres
ión
Mezcla
Líquido
VaporL+V
Pb
PS
P1
SZ1
La presión de succión se calcula realizando un balance de energía entre 1 y S
Variables importantes en la operación de la bombaCondiciones de succión:
• Presión de succión:
NPSH (Net Positive Suction Head) NPSHD (NPSHA)= PS – PV > 0
NPSHR (bomba) Fabricante
Se establecen los siguientes parámetros:
(depende del modelo del equipo)
NPSHD > NPSHR en 3 pies La norma
recomienda que:
S
Variables importantes en la operación de la bombaCondiciones de succión:
• Temperatura de succión o bombeo : esta variable influye en parámetros como viscosidad y presión de vapor.
Viscosidad vs. Temperatura
110
1110
2110
3110
4110
5110
6110
100 110 120 130 140 150 160 170
T (ºF)
Visc
osid
ad (c
st)
Viscosidad:
a menor temperatura mayor viscosidad
TemperaturaPres
ión
de v
apor
Fluido puro
Líquido
VaporPV1
PV 2
Presión de vapor:
a mayor temperatura mayor presión de vapor
T1 T2
Variables importantes en la operación de la bombaEficiencia: El punto de mayor eficiencia es el BEP.
Rango de operación en una bomba centrífuga
Según la norma API 610: La región preferida de operación de la bomba está entre el 70 % y 120 % del BEP
Potencia: Energía necesaria para mover el impulsor de la bomba utilizando como fuerza motriz un motor (eléctrico, turbina)
Hidráulica
Al freno
Variables importantes en la operación de la bomba
Potencia
( )3961
g.s.TDH.QHHP =
( )η
=.3961
g.s.TDH.QBHP
Q = gpm
TDH = pie
Donde:
= eficiencia de la bombaη
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Reciprocantes Rotatorias
PistónEmbolo Engranaje Tornillo Lóbulos
Entregan una cantidad definida del fluido por cada carrera del pistón, diafragma o revolución de la pieza móvil principal.
X
X: Carrera del pistón
Diafragma
Ventajas:
• Son adecuados para el manejo de líquidos viscosos• Son menos susceptibles a la presencia de gas en el líquido
• Manejan capacidades consistentes.• Tienen eficiencia mayor que las bombas centrífugas
MANEJO DE FLUIDOS VISCOSOS
Vis
cosi
dad
(SS
U)
Rotatoria Reciprocante Centrífuga
Fuente: The Pump Handbook series. 1998
BOMBAS RECIPROCANTES
Es una bomba de DP que recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. La compresión se logra por el movimiento alternativo de un pistón, émbolo o diafragma.
CLASIFICACIÓN:
• Elemento de bombeo: Pistón, embolo y diafragma.
• Número de varillas o bielas de mando; simplex, duplex, triplex.
- Acción directa: accionadas con un fluido motor por medio de presión diferencial.
• Fuerza motriz:- Potencia: la bomba se mueve con un eje rotatorio,
como motor eléctrico o de combustión interna.
• Vertical y Horizontal
• Números de carrera de descarga por ciclo de cada biela: Acción sencilla o doble acción.
BOMBAS RECIPROCANTES
tapón
Entrada
Salida
Dia
fragm
a
Tipo diafragma (acción sencilla)
Salidas
Entradas
Pistón
Tipo Pistón (doble acción)
Extremo de impulsión
Extremo del líquido
Extremo del líquido
Extremo de impulsión
Parámetros de operación:
• Capacidad real (Q)
• Desplazamiento del pistón (DP)
Eficiencia volumétrica (Ev)
Volumen de fluido dentro del pistón
Volumen de fluido descargado por la bomba
diseño, tipo de bomba (fabricante)
Ev= Q / DP
Espacio muerto
S
S: Carrera del pistón
Boquilla
Succión
Descarga
a
AVástago
M
BOMBAS RECIPROCANTES
Espacio muerto
S
S: Carrera del pistón
Boquilla
Succión
Descarga
a
A Vástago
M • Desplazamiento del pistón (DP)
BOMBAS RECIPROCANTES
A: Área seccional del émbolo o pistón (pulg2)M: Número de émbolos o pistones S: Longitud de la carrera (pulg)N: Velocidad de rotación, RPMa: Área seccional de la varilla o vástago (pulg2)DP: Desplazamiento del pistón (GPM)
DP= AxMxSxN231
DP= (2A - a)xMxSxN231
Para bombas de acción simple
Para bombas de acción doble
Leyenda:
Bomba de doble tornillo Bomba de engranaje
Bombas rotatorias
Bomba de cavidad progresiva
NPSHA (disponible)
Aceleración y desaceleración del fluido
(pulsaciones)
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
NPIP (Net Positive Inlet Pressure)
NPIP (disponible)= Ps – Pv = lpc
Reciprocantes
Rotatorias
NPIP (disponible)= Ps – Pv -Pha= lpc
Pha= presión debido a la aceleración del fluido, (lpc)
Pha (lpc) = ha (pies)
Volumen de Tubería
Volumen de la cámara
Succión Descarga
BOMBA RECIPROCANTE
TIPO PISTÓN
Válvulas
BOMBAS RECIPROCANTES
NPIP (disponible)= Ps – Pv -Pha= lpc
Pha (lpc) = ha (pies)kg
LVNCha =
ha= carga de aceleración, pies de líquido que se bombea. L= longitud real (no equivalente del tubo de succión), pies.V= velocidad del líquido en el tubo de succión, pie/s.N= velocidad de rotación en el cigüeñal, RPM.C= constante que depende del tipo de bomba.k= constante que depende de la compresibilidad del líquido. g= 32.2 pie/s2.
0,022Nónuplex
0,028Séptuplex
0,040Quíntuplex
0,066Tríplex
0,115Dúplex, doble acción
0,2Dúplex, acción sencilla
0,2Simplex, doble acción
0,4Simplex, acción sencilla
Constante CTipo de bomba
2,5Líquidos compresibles como el etano
1,5La mayor parte de los líquidos
1,4Líquidos no compresibles como agua desaireada
Constante kCompresibilidad del líquido
CompresiCompresióónn
La compresión es un proceso utilizado para incrementar la presión de un gas o vapor, el cual se realiza a través de un compresor
P1 , T1 , V1P2 , T2 , V2
La compresión de un gas puede observarse en el movimiento de un pistón
Condición Inicial Condición final
P2 >> P1
Volumen Volumen
PP
TT
El gas es un fluido compresible
Ley de los gases:
P.V = n.R.T.z
CompresiCompresióónn
CompresoresMáquina que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores), para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión.
La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen del mismo durante su paso a través
del compresor.
Energía
P succión
P descarga
El incremento de presión del compresor se expresa como una razón o relación de compresión (r)
succión
adesc
PP
r arg=
CompresiCompresióón n –– TiposTipos
Desplazamiento Positivo (DP)
Dinámicos
Flujo Radial
(Centrífugos)
Flujo Axial
térmicos
Eyectores
CompresoresCompresores
Reciprocantes Rotatorias
Embolo Pistón
Diafragma
Lóbulos Tornillo
Máquinas de flujo continuo en la cual el cabezal de
velocidad del gas es convertido en presión
Unidades de flujo intermitente, donde sucesivos volúmenes de
gas son confinados en un espacio y elevado a alta
presión
Maquinas que usan altas velocidades de un gas o vapor que
se mezcla con el gas de alimentación para
convertir la velocidad en presión
CompresiCompresióón n –– TiposTipos
Reciprocantes
Tornillo
Disponible para capacidades por debajo del rango de flujo económico de los compresores centrífugos.
Utilizado para sistemas que requieren bajas potencias
Tipo pistón
Tipos de compresores
Disponibles para altas presiones; casi siempre son usados para presiones de descarga por encima de 25000 KPa man. (3500 psig).
Son mucho menos sensitivos a la composición de los gases y a sus propiedades cambiantes
CompresiCompresióón n –– TiposTipos
TornilloTiene limitaciones con la presión de succión
Utilizado para sistemas que requieren bajas potencias
El tornillo gira y comprime el fluido gaseoso
Los compresores rotatorios son máquinas en la cual la compresión y el desplazamiento es afectado por la acción positiva de los elementos que
rotan.
Tipos de compresores
CompresiCompresióón n –– TiposTipos
Centrífugos
Utilizado para altas potencias
Las ruedas giran y convierten la fuerza centrifuga en presión
Se requiere normalmente compresores con tres o cuatro ruedas
Continuos y largos tiempos de funcionamiento (típicamente 3 años) son posibles con una alta confiabilidad
Requieren poca área para su instalación.
Tipos de compresores
CompresiCompresióón n –– TiposTipos
Flujo Axial
Los compresores axiales compiten directamente con los centrífugos.
La eficiencia puede ser hasta 10% mayor que la de los centrífugos
Menor tamaño físico y menor peso que los centrífugos,
Los sistemas de control de flujo y los controles de protección sonmás complejos y costosos que para los centrífugos.
Tipos de compresores
CompresiCompresióón n –– Procesos termodinProcesos termodináámicosmicos
Presión
Volumen
Estado Inicial
Estado Final
Proceso de compresión
W
Estado inicial
Estado final
Termodinámicamente un estado se define con dos propiedades
Presión TemperaturaVolumen Entalpía (H)Energía Interna (U)Entropía
Sistema
La energía requerida depende del trayecto del proceso
∫=2
1
P
P
VdPW
El proceso termodinámico para pasar del estado 1 al estado 2 establece la energía requerida para comprimir el gas
P 1
P 2
CompresiCompresióón n –– Procesos termodinProcesos termodináámicosmicos
Procesos de Compresión
- Proceso Isotérmico P.V n=cte. n = 1
- Proceso Isentrópico P.V n=cte. n = k
- Proceso Politrópico P.V n=cte. n = n
Este modelo asume que la temperatura del gas permanece constante durante la compresión
Asume que no hay transferencia de calor durante el proceso de compresión
Este modelo asume que hay incremento de temperatura así como perdida de energía (calor) en los componentes del compresor
Isotérmico
Isentrópico
Politrópico
Trabajo del compresor
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Factores de diseño
- Propiedades del fluido
Cantidad de componentes Mezcla
Composición de la Mezcla de Gas
Peso Molecular
Temperatura Crítica, Presión Crítica
Contenido de Líquido
Contenido de Sólidos
Puro o
Se debe tener un análisis completo del gas
Se calcula con la regla de Kay para mezclas1
N
gas i ii
PM y PM=
= ∑Debe especificarse el máximo rango de variación en el peso molecular.
Se utiliza para el cálculo de algunas propiedades del gas natural
La presencia de líquidos en la corriente gaseosa, usualmente es dañina a los compresores
Pueden dañar partes mecánicas de los compresores
Calor Específico, Relación de Calor Específico (k)
P
V
CkC
=
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Factores de diseño
- Condiciones de succión
Curva de burbujeo
Curva de rocío
Punto crítico
Pres
ión
Temperatura
MEZCLA
LIQGAS
El mínimo punto de entrada es vapor saturado, el cual puede observarse para el diagrama de Mollier para fluidos puros. Para mezcla de gases es el punto de Rocío.
Presión de succión
Vapor saturado
Presión de entrada(succión)
Debe especificarse como el valor más bajo para el cual se espera que el compresor trabaje de acuerdo al diseño.
Temperatura de entrada(succión)
Afecta tanto el flujo volumétrico como el requerimiento de cabezal para un determinado servicio de compresión, el rango completo tiene que ser especificado.
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Factores de diseño
Caudal @ cond. succiónFlujo
- Másico
- Molar
- Volumétrico
•
m•
n
Q
Flujo másico
Flujo molar Flujo volumétrico
Peso Molecular Densidad
Las velocidades de flujo y sus condiciones de presión asociadas deberán ser reportadas para todos los puntos operacionales de interés
- Flujonormal
arranquefuturo
final de operacióninicial de operación
operación a baja capacidad
Temperatura de descarga
- Condiciones de descarga
Presión de descarga
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Factores de diseño
Normal – requerida a la presión del recipiente aguas abajo más las caídas de presión permisibles por tuberías, intercambiadores, enfriadores, separadores de aceite, etc.
Máxima – La presión de descarga máxima que un compresor de desplazamiento positivo es capaz de producir está limitada normalmente por la graduación de la válvula de seguridad a la descarga.
Depende del proceso de compresión del sistema y tiene un límite máximo
Limitaciones del Material
Limitaciones EstructuralesFormas complejas de las piezas usadas en los compresores se ven afectadas por las altas temp.
Resistencia de la carcaza y piezas
Procedimientos de Cálculo
Temperatura de descarga
- Condiciones de descarga
Modelo IsentrópicoModelo Politrópico
- Diagrama H – S. Gases Naturales dulces
- Ecuaciones
- Método Gráfico (GPSA)
- Diagrama P – H. Fluido puro
Está limitada normalmente a 250 °F Según GPSA, puede alcanzarse temperaturas máximas de 300 °F
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Factores de diseño
La temperatura de descarga debe calcularse dependiendo del modelo termodinámico, isentrópico, isotérmico y politrópico
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de Diseññoo
Temperatura de descarga
Número de etapas
(Máx. 250 – 300 °F) Alta r=Pd/Ps genera alta T descarga por lo que
comúnmente se separa el proceso en etapas de compresión múltiples.
T descargaPdTsPs Se verifica que la descarga no exceda el valor limite
dne ta p as
PrP
=
Debe dividirse en dos etapas si
excede la temp.I
I II
I II III
Se calcula la relación de compresión por etapa
n = N° de etapas
Se verifica de nuevo la temp de
descarga
Se prueba con tres etapas
La última etapa tiene la temp. más caliente
CompresiCompresióón n -- Factores de DiseFactores de DiseññooNúmero de etapas
I II
Etapa I Etapa IIInterenfriadorΔP= 5 - 10 lpc
Tsucción II Psucción II
Tdescarga I Pdescarga I
Tsucción I Psucción I
Tdescarga II Pdescarga II
Se utilizan intercambiadores de calor interetapa que retiren el calor adquirido por el gas durante la compresión
Adicionalmente se colocan separadores para evitar que cualquier condensado que se forme ingrese al compresor
CompresiCompresióón n –– Diagrama de MollierDiagrama de MollierPotencia
2
1
P
idealP
W VdP= ∫
Energía requerida por el motor para comprimir el gas, denominada potencia al freno
Potencia requerida por el gas
Pérdidas mecánicas en el compresor
Pérdidas de transmisión del motor
La potencia requerida por el gas depende termodinámica del trabajo
Se calcula idealmente:
idealreal
WWη
= Desviación con respecto al modelo termodinámico utilizado
m
GHPBHPη
=. realGHP masa W=
Potencia del gas: Potencia al freno:
Eficiencia mecánica
Diagrama P – H Fluido puro
CompresiCompresióón n –– Diagrama de MollierDiagrama de MollierCálculo de la Temperatura de descarga
Diagrama P – H Fluido puro
CompresiCompresióón n –– Diagrama de MollierDiagrama de MollierCálculo de la Temperatura de descarga
P succión
Condición mínima
vapor sat
H1 entrada
Diagrama P – H Fluido puro
CompresiCompresióón n –– Diagrama de MollierDiagrama de MollierCálculo de la Temperatura de descarga
P succión
P descarga
Proceso isentrópico
H2 isent. de salida
Diagrama P – H Fluido puro
CompresiCompresióón n –– Diagrama de MollierDiagrama de MollierCálculo de la Temperatura de descarga
P succión
P descarga
1is
is2 h
hh +
η
Δ=
Temperatura real
H2 real
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Las ecuaciones principales para el
dimensionamiento son:
TCpmQ ..
HmQ .
Balance de energíaEcuación de calor para un
intercambiador de calor
FcLMTDAUoQ ...
Área de Transferencia de Calor
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Fluido caliente
Fluido frío
En el diseño se requiere determinar LA
CONFIGURACIÓN del intercambiador necesaria
para lograr el Área de Transferencia de Calor
Deflectores
CarcazaNúmero de
tubos
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Diámetro de
la carcaza
Características
de los tubos
Número de
Número de
pasos por tubosNúmero de
pasos por
carcaza
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Arreglo en
contracorriente
Arreglo en
paralelo
Cálculo de la diferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD
1T2T
1T
2T
)/( 12
12
TTLn
TTLMTD
Más
utilizado
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de la deferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD
)/( 12
12
TTLn
TTLMTD
La LMTD depende del número de pasos en el intercambiador
Un paso por carcaza y uno por los tubos
Un paso por carcaza y dos pasos por los tubos
)/(.
12
12
TTLn
TTFcLMTD
Se corrige con
el factor Fc
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de la deferencia promedio logarítmica de temperaturas LMTD
El factor Fc
depende de
-Temperaturas
- Configuración
Se recomienda
que Fc ≥ 0,8
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del área de transferencia de calor A
FcLMTDAUoQ ...FcLMTDUo
QA
..
QTCpmQ ..
HmQ .
Uo= Coeficiente global de transferencia de calor
El factor Uo depende de la configuración del equipo por lo tanto se realiza un
proceso de ensayo y error para determinar el área de transferencia
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del área de transferencia de calor A
FcLMTDUo
QA
..
Se asume un valor de Uo inicial para calcular el Área
tubo
El Área de transferencia se calcula en
referencia a la pared externa de los tubos
Los valores de Uo inicial se encuentran en la literatura y dependen de los
fluidos en el intercambiador de calor
L= Longitud del tubo
Do
Calibre BWG
(Espesor)
Área exterior
por pie lineal
(pie2/pie)
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Especificación de los tubos
Do= entre ¼ y 2 ½ pulgadas, (más comunes ¾, 1 y 1 ¼ )
L= 8, 12, 16, 20, 24 y 32 pies, estándar es 20 pies
Calibre BWG= 12, 14 y 16
Especificación de los tubos
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Utilizado
normalmente
Utilizado para
servicios
sucios
Pitch
Claro entre los
tubos c
L= Longitud del tubo
Do
Calibre BWG
(Espesor)
Área exterior
por pie lineal
(pie2/pie)
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del número de tubos (Nt)
Con Do definido se busca en la tabla de las características de los tubos
el área exterior por pie lineal de la tubería a’’ (pie2/pie lineal)
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del número de tubos (Nt)
Con Do definido se busca en la tabla de las características de los tubos
el área exterior por pie lineal de la tubería a’’ (pie2/pie lineal)
GPSA
Se asume la Longitud del tubo (Ltubo)
Do
Calibre BWG
(Espesor)
Área exterior
por pie lineal
(pie2/pie)
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del número de tubos (Nt)
tuboLNtaA .'.'Se despeja el número
de tubos
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del diámetro de la carcaza
D carcaza
Número de
Baffles
Espaciamiento
de Baffles Corte entre
15 y 45 %
25% nor.
Espaciamiento de los baffles es menor Dcarcaza pero mayor a 1/5
Dcarcaza
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del diámetro de la carcaza
D carcaza
Con el número de tubos, las características del tubo, el arreglo y el
número de pasos se estima por tabla el diámetro interno de la
carcaza
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Se revisa la relación Ltubo/Dcarcaza
3 < Ltubo/Dcarcaza < 15
Si no cumple debe modificarse la
longitud del tubo asumida
hi
ri
rwho
ro
.
Tubo
La ecuación para el cálculo del coeficiente global se presenta a continuación:
Donde:
ho = coeficiente de película externo al tubo, (Btu/ h ·pie2 ·ºF).
hi = coeficiente de película interno al tubo, (Btu/ h ·pie2 ·ºF).
rw = resistencia del material de la pared del tubo.
ro = resistencia de ensuciamiento externo, (pie2 ·ºF· h) / (Btu).
ri = resistencia de ensuciamiento interno, (pie2 ·ºF· h) / (Btu).
Ao = área lateral externa del tubo por cada longitud de tubo, (pie2 /pie).
Ai = área lateral interna del tubo por cada longitud de tubo, (pie2 /pie).
Estas resistencias se muestran en la Figura Nº 6, en la cual se representa el corte
transversal de un tubo.
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
o
ii
i
oi
avg
owo
o
o
A
Ah
A
Ar
A
Arr
h
U11
1
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de hi
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de hi
Se calcula el número de Reynolds para el lado de los tubos
GD .Re
D = Diámetro interno del tubo, pies.
μ = Viscosidad del fluido a la temperatura promedio, lbm / (hr pie).
TA
WG
G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2).
TA 2pie
W = Flujo másico del fluido por los tubos, lbm/hr.
Área de flujo total a través de los tubos,
.
n
aNA tubot
T.144
. tuboa2lgpuÁrea de flujo a través de un tubo,
n= número de pasos por los tubos.GPSA
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de ho .
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de ho
Se calcula el número de Reynolds para el lado de la carcaza
GDe .Re
De = Diámetro equivalente, pies.
μ = Viscosidad del fluido a T. prom, lbm / (hr pie).
sA
WG
G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2).
sA 2pie
W = Flujo másico del fluido por la carcaza, lbm/hr.
Área de flujo total a través de la carcaza,
.
144.
..
T
sP
BcDcA
DclgpuDiámetro interno de la carcaza,
De depente de
Do, pitch y
arreglo del tubo
Tabulado en fig.
10-47, en pulgadas
clgpuSección libre entre los tubos,
B lgpuEspaciado de los deflectores,
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de la resistencia por la pared del tubo rw .
rw se encuentra en la tabla 10-13
ro = resistencia de ensuciamiento externo, (pie2 ·ºF· h) / (Btu).
ri = resistencia de ensuciamiento interno, (pie2 ·ºF· h) / (Btu).
Cálculo de la resistencia por ensuciamiento
Valores tabulados
o
ii
i
oi
avg
owo
o
o
A
Ah
A
Ar
A
Arr
h
U11
1
Finalmente se calcula el Uo:
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo del área de transferencia de calor A
FcLMTDUo
QA
cal
cal..
A asumida > A calculada en al menos 10 %
Si cumple con la condición se procede a calcular la caída
de presión
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de la caída de presión de los tubos
t
tubossD
nLGfP
...10.22,5
...10
2
f= factor de fricción se estima por la figura 10-121
G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2).
L = Longitud de los tubos, pie.
D = Diámetro interno de los tubos, pie.
s = gravedad especifica
n = número de tubos.
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR CARCAZA Y TUBO
Cálculo de la caída de presión por la carcaza
s
ss
sDe
NDGfP
...10.22,5
)1(...10
2
f= factor de fricción se estima por la figura 10-124
G = Velocidad másica del fluido, lbm/ (hr pie2).
N+1 = cruces por los baffles, 12.(L/B)