Clase 4 y 5 Trans de Petroleo

7/31/2019 Clase 4 y 5 Trans de Petroleo

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Ing Ma. Inocente SedanoFacultad de Ingeniera dePetrleo y Petroqumica

CURSO TRANSPORTE YALMACENAMIENTO


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TRANSPORTE DE

PETROLEO
http://www.cetmar.org/documentacion/imagenes/JahreViking.jpg


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Transporte de Petrleo portuberas

1. Introduccin.2. Historia y economa.

3. Leyes bsicas del flujo de fluidos.


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INTRODUCCIN

En los ltimas dcadas transporte de gas y lquidos portuberas ha tenido creciente importancia.

Ingeniero de petrleo tiene que estar familiarizado para

tomar decisiones respecto a:a) Aspectos econmicos de la instalacin.

b) Las caractersticas principales del proyecto.

c) Seleccin del contratista o abastecedor.

d) La operacin.

Importancia de tratar aspectos de diseo, construccin yoperacin.


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HISTORIA Y ECONOMA La seleccin del medio de transporte depende los

costos, que dependen de la geografa y de otros medios:va acutica, ferrocarriles.

Para nuevas instalaciones factor importante es costo deamortizacin que tiene relacin con precisin de la

demanda futura.

Proyecto de tubera es factible cuando opera cerca de sucapacidad.

En USA en 2003 el transporte por tubera de crudo yproductos fue 66.8%, por va acutica 27.2%, porcamiones 3.8% y por ferrocarril 2.2%.

El transporte de gas natural en los ltimos aos ha tenido

importante crecimiento


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OLEODUCTO NOR PERUANO


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HISTORIA Y ECONOMAEl gasoducto ms grande de Norte Amrica viene de

Alaska. Abastece del 5% de la demanda de USA. Tienedimetro de 48, 4,800 millas de longitud, transporta 3 mil

millones de pies cbicos por da y cost 37 mil millonesde USA dlares.

Caractersticas del Oleoducto Nor peruano:

Tramo Diam. Distancia Capacidad

Saramuro a estacin 5 24 306 km. 200MBPD

Estacin 5 a Bayobar 36 855 km. 500MBPD.Costo: 676.1 MMUS$


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HISTORIA Y ECONOMA Costos promedios en Europa en dlares por metro:

Dimetro 20 24 30 42

Tubera 49 65 81 155

Tendido 93 110 139 197

Total 142 175 220 352

$.pulg.m 7.1 7.3 7.34 8.4

Tubera % 34.5 37 37 44

Tendido% 65.5 63 63 56


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HISTORIA Y ECONOMACostos promedios de bombas y estaciones de

compresin estn relacionados a potencia instalada porHP:

Tipo de estacin Costo por HP

Bombas Grande 300 US$Bombas Pequeas 400 US$

Compresor centrifugo +15,000 Hp 300 US$

Compresor centrifugo10,000 400 a 500 US$Compre. Reciprocante +2,000 Hp 400 US$

Compre. Reciprocante2,000 Hp 600-700 US$


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HISTORIA Y ECONOMA Las bombas estaciones de compresin representan

entre 3 y 15% del total de la inversin, dependiendo delfactor de carga de la lnea, o ms especficamente de lavelocidad del fluido en la tubera principal.

Con una carga normal de la lnea, con velocidades del

lquido de 1 a 1.3m. por seg. El porcentaje est entre 10 y12%.

Con velocidades mayores a 2 m. Por seg. La proporcinpuede elevarse a 25%.

El costo de los tubos y su instalacin representa entre el85 y 90% de la inversin.


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LEYES B SICAS DEL FLUJODE FLUIDOS

Slo se requiere la aplicacin de 3 leyes fsicas:

1.- Conservacin de la masa o de continuidad.

2.- Conservacin de la energa.

3.- Conservacin del impulso (momentum) segunda

ley del movimiento de Newton.

La tercera ley es til en la estimacin de las fuerzas dereaccin en las estructuras de la tubera y anlisis detransferencia de impulsos.

Balance de masa.- si el flujo se mantiene con lavelocidad, temperatura y presin sin cambios con eltiempo, el ritmo del flujo de la masa es constante.


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Ecuacin de balance de materia o de continuidad:

W1 = w2

1q1 = 2q2 (1.3)

1A1v1 = 2A2v2

donde es la densidad del fluido a la

temperatura prevaleciente y presin del

flujo en alguna seccin transversal.

Balance total de energa.- Para flujos en tubos enestado permanente sin la energa total queingresa por unidad de tiempo debe ser

igual a la energa total de salida.


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Sistema General del Flujo de Fludos


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Balance total de energa.- Una ecuacin de balance

de energa puede ser escrita:

u1 = energa interna o intrnseca, unafuncin del estado termodinmico de

fluido mientras est en la seccin A1.

g x Z1= energa de posicin o energa

gc

potencial,donde z1 es la elevacin del

flujo arriba de un nivel arbitrario yg es la aceleracin local de la

gravedad.


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Balance total de energa.-

= energa del movimiento o energacintica de una unidad de masa

movindose con una velocidad de flujo v1.

p1v1 = Trabajo o energa mecnicaproporcionada por el fluido en A1

p2v2 = trabajo o energa mecnicaexpendida por el sistema en vaciante en

A2

gc

v

2

21


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Q = calor de la energa netaabsorbida por el sistema de fuentesexternas, durante el tiempo de intervalot; para una prdida de calor neta, Q es

una cantidad negativa.

Wo = trabajo neto o energa impartida alsistema desde fuentes mecnicas externas(tales como bombas o compresoras) en elintervalo de tiempo t.

Un balance de energa sobre elintervalo de tiempo t es dado por la

ecuacin:


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ENERGA INTRODUCIDA = ENERGA SACADAu1+ +p1v1+Q+wo =u2+ +p2v2 (1.4)

En trminos de diferencias finitas:

u + Q + wo (1.5)

Es de anotar que trminos de friccinno aparecen en la ecuacin. La friccines responsable solamente por la

conversin de alguna energa mecnica enenerga calrica y no cambia elcontenido de energa total.

gc

v

gc

zg

2

2

11

gc

v

gc

zg

2

2

22

)(21 2 pvvgc

zgcg


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Cuando la funcin de entalpa h=u+pv essustituida dentro de la ecuacin

anterior, la expresin resultante es:

h + = Q + wo (1.6)Es como aplicar la primera ley de latermodinmica a un proceso de flujopermanente. Esta ecuacin es

conveniente para el anlisis de sistemasde flujo, en el cual hay calortransferido o proceso adiabtico (Q = 0)

2

2

1

vgczgc

g


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Balance de energa mecnica.-

En los ltimos 150 aos que tiene la leyde conservacin de energa, se amplipara incluir cambios de energa internay el flujo de calor. El reconocimiento

del flujo de calor como una forma deenerga transferida fue conocido en unapstuma publicacin por Carnot (1832) yfinalmente (1840-45) empleado en una

forma experimental por Joule.


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Cuando una unidad de masa de fluidoentra al sistema general la energamecnica neta Em impartida al sistema

de fuentes externas es:

Em = p1v1 + Wo p2v2

La energa mecnica Em usada paraincrementar la energa potencial y/o

cintica del fluido o posible compresinal fluido mientras transita a travs delsistema es dado por:

S S CAS O


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Em =

Donde la expresin integral representael trabajo mecnico requerido para

comprimir el volumen de una unidad demasa de algn valor inicial v1 al ms

pequeo valor v2.

Para conservar la energa mecnica Em y

Em deben ser idnticas; pero por elefecto de friccin una parte serdisipada en energa calrica. Por lotanto, Em y Em nunca son iguales.

2

1

2

1

2

212)(

2

1)( pdvvvgc

zzgcg

LEYES B SICAS DEL FLUJO


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Un balance de energa mecnica para un

sistema puede ser escrito como:

p1v1+wop2v2 = (1.7)

El trmino F representa el trabajoperdido o energa mecnica gastada porel proceso irreversible dentro del

fluido fluyente.La energa trmica (p2v2 p1v1) o pV esuna diferencial completa equivalente a:

2

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1Fpdvv

gcz

gc

g



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Sustituyendo en la ecuacin anterior, seobtiene una expresin ms completa:

(1.8)En esta forma final, se le conoce como la ecuacin deBernoulli, aumentada en las prdidas de friccin.

2

1

2

1

2

1

)( vdppdvpvd

2

1

2

2

1Fwv

gcz

gc

gvdp o



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Aunque la ecuacin (1.8) parezca serindependiente de Q, comparado con elbalance total de energa (1.5); se

mostrar que esa transferencia de calorinfluencia los trminos de prdidas defriccin como:

F = u +

Un balance de energa mecnica es principalmente tilcuando el fluido que fluye puede ser consideradocomo casi incomprensible, como son la mayora de loslquidos.

2

1

Qpdv



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Para flujo de fluidos aproximadamenteisotrmicos, el volumen especfico v esesencialmente constante y la ecuacin

(1.8) se reduce a:

= Wo F (1.9)

Para fluidos compresibles tales como

gases, evaluacin de la integral puedeser difcil, a menos que el curso exactode la compresin o expansin seaconocida.

gc

vz

gc

gp

2

2



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Balance de presin.- Para el flujo defluidos incomprensibles la ecuacin(1.9)puede ser simplificada obtenindoseun balance de presin.

Multiplicando todos los trminos por,el cual se asume constante:

p + gZ + V2 = Wo - Fgc 2gc



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Balance de presin.-

Por expansin y reacomodo de trminos laexpresin anterior puede ser escrita

como:

P1+g(Z1-Z2)+(v12 -v2

2)+Wo-F = p2 (1.10)

gc 2gc

puede ser establecida en una forma ms

flexible como:

p1 + ps + pv + pp - pf = p2 (11)donde

ps = ( g/gc ) (Z1-Z2)



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Balance de presin.-

pv=(/2gc)(v12-v2

2), el incremento enpresin que acompaa a prdidas en

velocidad.

pp = Wo, el incremento de presin atravs de una bomba en la direccin del

flujo.

pf = F, prdida de presin causada portodo el proceso de friccin irreversiblea lo largo del flujo excluyendo lo que

corresponde dentro de la bomba.



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Balance de presin.- Ejemplo:

Un petrleo crudo de 36 API con unaviscosidad de 7 cp, fluye por gravedad atravs de una lnea de 3 ID, la presin

de entrada es de 22 psia. La lneadescarga a un almacenamiento atmosfricoque est 480 pies ms abajo que laentrada. Calcular la prdida de energa

mecnica a lo largo de la lnea enft lbf/lbm de petrleo.



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Balance de presin.- Solucin:

En ausencia de una bomba, Wo = 0, y para

un tubo uniforme llevando un fluido

incomprensible v1 = v2 la ecuacin(1.9) se reduce a:

P1 - p2 + g (Z2-Z1) = -F

gc

Densidad del petrleo: 141.5 * 62.4 =

52.7 lbm/ft3 131.5+36

p2-p1 = (14.7-22)144 = -20 ft lbf/lbm

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Balance de presin.- Solucin (continuacin):

Asumiendo g=32.17ft/seg2, gc = constante

de conversin = 32.17 lbm ft

lbf seg2g(z2-z1) = (1)(0-480) = -480 ft-lbf/lbm

gc

Sustituyendo en la ecuacin (1.9)F= 500 ftlbf/lbm

Solucin alternativa.- Usando laecuacin (1.11)



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Balance de presin.- Solucin alternativa.-Usando la ecuacin (1.11)

p1 + ps + pv + pp - pf = p2

ps = 141.5 *0.433 *480 = 176 psi;131.5+36

pv = pp = 0

22psia + 176 psi +0 +0 - pf = 14.7 psia

pf=183.3psi prdida de presin causadapor la friccin.

F = pf = 183.3 * 144 = 500 ftlbf/lbm

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DISEO DE OLEODUCTOS

CONCEPTOS BSICOS

VISCOSIDAD

CLASIFICACIN DE LOS FLUIDOS FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

CRITERIO REYNOLDS

PRDIDAS POR FRICCIN

EFICIENCIA DE LA TUBERA

PRDIDAS POR FRICCIN EN ACCESORIOS


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CONCEPTOS BSICOS

Viscosidad: Es responsable del arrastre con friccin oresistencia al corte cuando una capa de fluido sedesliza sobre otra.

En algn punto del fluido es la razn del esfuerzo decorte al ritmo de corte resultante: La fuerza de corteF acta sobre el rea A y produce un esfuerzo decorte =F/A.

El ritmo de corte causado por el esfuerzo esequivalente a la gradiente de velocidad dv/dy. Laviscosidad =gc*F/A/ =gc*/dv/dy


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VISCOSIDAD


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VISCOSIDAD


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VISCOSIDAD


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Clases de Fluidos

Newtonianos:Si viscosidad esinfluenciada slo por P y T.Ejemplo agua, gases y petrleoliviano. La razn de esfuerzo de

corte al ritmo de corte o gradiente dedeformacin es una constantellamada .


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Clases de Fluidos

No Newtonianos:Losque no tienenuna proporcionalidad directa entre elesfuerzo de corte y el ritmo de cortea T y P constante Ej. Suspensiones

de slidos en lquidos, lodos deperforacin, cemento, fluidos defracturamiento.


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Regmenes de flujo

Laminar (lineal o viscoso): Partculas se mueven enlneas rectas paralelas al eje del ducto, capasadyacentes resbalando uno a otro no mezclado.

En tubos circulares con dimetro constante sevisualizan como una serie de cilindros finosconcntricos, semejante a los tubos de un

telescopio. El cilindro en contacto con la pared del tubopermanece estacionario


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Regmenes de flujo

Turbulento: Flujos con velocidades promedias msaltas las partculas se mueven dando vueltas enmovimiento catico, formando remolinos en el fluido,no hay un orden.

No hay esfuerzo ordenado entre las capas, sloesfuerzos al azar e impactos de la masa del fluidometidos en el remolino.


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Laminar VS Turbulento


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Flujo en tuberas de fluidos Newtonianos

Flujo Laminar: Anlisis tericos y experimentalesdeterminaron: velocidad real instantnea Vr de todaslas partculas del fluido situadas en un radio r es

dado por:Vr = Vmax (1-r2/rw2)La velocidad mxima en el centro del tubo decrecehasta cero en la pared del tubo donde r=rw

Vpromedio= q/A = Vmax


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Flujo en tuberas de lquidos newtonianos

Flujo laminar y turbulento

rwrw

vmax vmaxr

vr

vv


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Flujo en tuberas de fluidos Newtonianos

Flujo Turbulento: Perfil de la velocidad es achatado y sugradiente cerca de la pared del tubo es mucho msgrande que el perfil del laminar.En la pared del tubo una pelcula fina es laminar. En elncleo central hay fluctuaciones en velocidad ydireccin.dado que su perfil de velocidad de flujo es casi plana:

Vpromedio=v2/2gc


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Criterio De Reynols

Numero de ReynolsNRe = 928 dv

m

d=dimetro en pulgadas.v= velocidad en pies/seg= densidad lbm/gal.= viscosidad en centipois

1. Laminar si NRe < 20002. Turbulento NRe > 40003. NRe entre 2000 y 4000 inestable


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Perdida de presin por friccin

Flujo laminar

1. Definida por esfuerzo de corte

2. para flujo isotrmico con esfuerzo en tubera circular,la cada de presin se calcula por ley Hagen-Poiseville

q = gc.p.d4.pf = v.p.d2; pf=32 L v

128mL 4 gc d2

Pf= m L v ; =cp, L= pies, v=pies/seg, d=id pulgadas

1500

pfse incrementa directamente con v1. Dpf directamente con v2 para turbulento.


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Flujo turbulentoAnlisis complicado, parcialmente resuelto con tcnicas de

anlisis dimencional para generalizar resultados deinvestigacin experimental:

Para flujo estable en largas tuberas rectas de seccin circular

prdidas friccionales son afectadas por propiedades fsicasdel fluido (v, , ) y geometra del tubo (id, L, condicininterna del tubo). Prdida de friccin (F) se determina por:

Ecuacin de FANNING:F = p = 2..L.v2 ;con unidades prcticas de ingeniera:

gc.d

p =.L..v2; es parmetro adimensional: factor de25.8d friccin de Fanning

Prdida de presin por friccin


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Flujo turbulento (Continuacin)

depende del NRe y de las condiciones de la superficie de lapared interna del tubo, caracterizado por un parmetro derugosidad o aspereza relativa: e/d

= (NRe, e/d)

rugosidad representa el espesor promedio de irregularidadesde la pared del tubo y es definido como rugosidad absoluta.Dado dos tubos con igual rugosidad absoluta, pero diferente

dimetro, el tubo ms grande tendr la rugosidad relativa mspequea.



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Curvas del factor de Friccin La funcin (NRe, e/d) ha sido establecida en parte de anlisis terico

y en parte de datos experimentales. La familia de curvas en la parte ms baja es log-log y corresponde a

tubera lisa (de vidrio, plomo, cobre y latn) y varias dimensiones detubera de acero limpio

En la regin laminar NRe< 2000: no es afectado por la rugosidad deltubo. El factor de friccin relacionado con NRe:f = 16/NRe, es una recta

Flujo inestable: NRe en rango de 2000 a 4000, curva punteada puedeser laminar o turbulento.

Flujo turbulento estable NRe

> 4000: e/d tiene efecto perceptible en especialmente en altos NRe.La rugosidad absoluta de los tubos de estas curvas es 0.00065.


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Curvas de Factor de Friccin


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Eficiencia de la tubera Es difcil tener un valor comn de las asperezas absolutas y al no

considerar efecto acumulativo de corrosin, erosin y escamas quese presentar en tubera en servicio. Para compensar se estableciun factor de eficiencia E (llamado factor de experiencia)

E = % Qt (manipulado actualmente)Se asume E = 0.9

Para calcular la capacidad real de una lnea:Capacidad Real = E*Capacidad tericaPara corregir el clculo de prdida de presin

p real = p tericaE2

Este clculo es igual a cambiar el factor de friccin del grfico delas curvas a un nuevo valor /E2


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Prdida de presin en accesorios

Codos, vlvulas, conexiones, recipientes y otros tiposde accesorios incrementan prdidas por friccin en unsistema de tuberas.

Para su clculo se considera como reemplazado poruna longitud equivalente Le

Esta longitud equivalente produce la misma cada depresin que el equipo. Para su determinacin se usael monograma de la empresa Crane.

La cada de presin se agrega a la cada ya hallada delsistema. Ej. Una vlvula de retencin a bisagra de 2abierta es equivalente a 13 pies de tubera recta.


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Monograma para prdidas de presin deaccesorios


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Criterios de diseo del Oleoducto NorPeruano

Seccin N 1 Caudal de Diseo Capacidad Nominal

m/hr m/hrSistema inicial 488 464

Sistema final 1742 1656

Seccin N 2

Sistema inicial 1394 1324

Sistema final 3486 3312Caractersticas del petrleo crudo

Seccin N 1 Gravedad especfica Viscosidad (cts)

0.905 52

Seccin N 2 0.895 38

Criterios de diseo del Oleoducto Nor Peruano


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Criterios de diseo del Oleoducto NorPeruano

h= 603.9 f.Q

D

h=prdida de carga en m de columna lquida por Km

Q=Caudal en m/hr

D=dimetro interno de la tubera en pulgadas

f=Coeficiente de friccin determinado por N Reynols y

datos experimentales de acuerdo a Colebrook.

NR = 13,918.Q

D

Q=Caudal en m/hr

=Viscosidad cinemtica en cts

D=dimetro interno de la tubera en pulgadas


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