Capitulo 1 des de Fluidos

LUIS EDUARDO DUARTE T. LUIS EDUARDO DUARTE T. [email protected]@etb.net.co DICIEMBRE 2004 DICIEMBRE 2004

CAPITULO ICAPITULO I

PROPIEDADES DE LOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOSFLUIDOS


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OBJETIVO GENERALOBJETIVO GENERAL

Trabajar los conceptos fundamentales de mecánica de fluidos con el objeto de aplicarlos al transporte

de hidrocarburos líquidos, e igualmente conocer los puntos de vista de fabricantes de equipos para

disponer de los elementos de juicio adecuados que permitan a los asistentes optimizar la operación, el

mantenimiento y la administración de los activos relacionados con los sistemas de transporte por

tuberías.


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ALCANCEALCANCE

• Fundamentos básicos de la Mecánica de Fluidos.

• Aplicaciones en las lineas de transporte• Equipos de Bombeo.

Selección de equipos

Operación

Mantenimiento


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LA MECÁNICA DE FLUIDOS Y LA LA MECÁNICA DE FLUIDOS Y LA HIDRÁULICAHIDRÁULICA

• Condiciones del fluido– En reposo.– En movimiento.

• Compresibles.• No compresibles


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DIMENSIONES FUNDAMENTALES DIMENSIONES FUNDAMENTALES UNIDADESUNIDADES

CANTIDAD DIMENSION SI SIST. BRITANICO Longitud L metro m pie ft

• Masa m M kilogramo Kg. slug• Tiempo t T segundo s segundo s• Corriente eléctrica i amperio A amperio A• Temperatura T kelvin K Rankine °R• Cantidad de sustancia M Kg.-mole lb.-mol• Intensidad luminosa candela cd cd• Angulo plano radian Rad. Rad.• Angulo sólido steroradian sr sr

• mÿ• Q ÿ• TABLE 1.3 SI Prefixes• Multiplication• factor Prefix Symbol• 1012 tera T• 109 giga G• 106 mega M• 103 kilo k• 1022 centia c• 1023 milli m• 1026 micro m• 1029 nano n• 10212 pico p• aPermissible if used alone as cm, cm2, or cm3.• n• Components• D F D Fn• D Ft• D A D A• Figure 1.1• Figure 1.2• e• r• V D• Figure 1.3• Surface• D Fn• D A• Figure 1.4• A• Standard• atmosphere Local• atmosphere• – Positive pressure• – Negative pressure• or positive vacuum• Zero absolute• pressure• p• A• absolute• p• B• absolute• p = 0 absolute• p = 0 gage• p• B• gage (negative)• p• A• gage• 101.3 kPa• 14.7 psi• 30.0 in. Hg• 760 mm Hg• 34 ft H2O• 1.013 bar• A• B• B• Figure 1.5• 100° Steam point• Ice point• Zero absolute temperature• 373 212° 672°• °C K °F °R• 0° 273 32° 492°• –17.8° 255.2 0° 460°• TABLE 1.4 Density, Specific Weight, and Specific Gravity of Air and• Water at Standard Conditions• Density r Specific weight g• kg/m3 slug/ft3 N/m3 lb/ft3 Specific gravity S• Air 1.23 0.0024 12.1 0.077 0.00123• Water 1000 1.94 9810 62.4 1


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UNIDADES DERIVADASUNIDADES DERIVADAS

CANTIDAD-DIMENSION SI SIST. BRITANICO

• Área, A: L2 m2 ft2 • Volumen, V: L3 m3 ft3

• Velocidad, V: L/T m/s ft/sec• Aceleración, a: L/T2 m/s2 ft/sec2

• Fuerza F: ML/T2 Kg.m/s2, N slug-ft/s2

• Densidad :M/L3 Kg./m3 slug/ft3

• Peso especifico N/m3 libra/ft3

• Presión, p N/m2, Pa libra/ft2

• Trabajo, W: ML2 /T2 N . m ft-lb.• Potencia, P: ML2 /T3 J/s W (watt) ft-lb./sec• Viscosidad . N.s/m2 lb. sec/ft2• Flujo másico M/T Kg./s slug/s• Flujo volumétrico, Q: L3 /T m3/s ft3/s


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• Soporte matemático

• Coeficientes experimentales

• Fórmulas empíricas


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• Métodos de análisis.– Leyes de Newton del movimiento.– Principio de conservación de la masa.– Ecuaciones de energía.– Ley de Newton de la Viscosidad.– Leyes de la Termodinámica.


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Trataremos el manejo de hidrocarburos Trataremos el manejo de hidrocarburos líquidos líquidos

Aspectos fundamentales:• Propiedades Físicas.

• Comportamiento en reposo.• Comportamiento en movimiento.• Análisis de líneas de transporte.

• Aspectos importantes de la operación.• Prácticas operativas y de mantenimiento.

• Ampliaciones y actualizaciones.


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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOSPROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

• Importancia de conocerlos.• Valores de esas propiedades.


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QUE ES UN FLUIDOQUE ES UN FLUIDO

• Un fluido es una sustancia capaz de adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.

• No pueden soportar fuerzas cortantes.• Son compresibles en diferente grado.• Ofrecen poca resistencia a los cambios de forma.• Se dividen en Líquidos y gases:

– Los líquidos son prácticamente incompresibles, los gases son compresibles.

– Los líquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres. Los gases ocupan todo el recipiente.


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DENSIDADDENSIDAD

• La densidad de un fluido está definida como la relación de masa por unidad de volumen:

Se expresa en:• Kg/m3

• Slug/pie3

Otras Unidades de densidad• Gramos/cm3

• Kg/dm3

• Ton/m3


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DENSIDADDENSIDAD

VolumenV

Masam

DensidadV

m


.

VOLUMEN ESPECÍFICOVOLUMEN ESPECÍFICO

• El volumen específico es el inverso de la densidad:

Se expresa en:• m3/Kg• pies3/slug

1

V


.

PESO ESPECÍFICOPESO ESPECÍFICO

• El peso específico está definido como el peso por unidad de volumen.

Otras unidades• Nw/m3

• Lb/pies3

• Dina/cm3


.


VolumenV

gmPesoP

EspecificoPesoVP


.


Se expresa como:

g


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GRAVEDAD ESPECÍFICAGRAVEDAD ESPECÍFICA

Se define como la relación entre el peso del fluido y el peso del agua en condiciones estándar, (15ºC - 60ºF)

OH

pSGU2

737.0/4.62

/463

3

piesLb

piesLbSGUGASOLINA

La Gravedad específica de un Gas se mide con respecto al aire a15ºC- 100Kpa o a 60ºF y 14.7 psi.


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GRAVEDAD APIGRAVEDAD API

La gravedad API, definida por el American Petroleum Institute, se expresa en función de la gravedad específica

Según la gravedad API los crudos se clasifican:• Crudos pesados.• Crudos medios.• Crudos livianos.

EspecíficaGravedadSG

FaSGAPI

5.131

60

5.141


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LA PRESIÓNLA PRESIÓN

La Presión se define como una fuerza sobre un área

A

FP


.

MEDICIÓN DE LA PRESIÓNMEDICIÓN DE LA PRESIÓN

Pabsoluta = Pmanométrica + Patmosférica

Manómetros Barómetros

PSI ó ,

,

22

2

pulgada

lbmás usada

pie

lb

SIPam

NAF

P


.


• Unidades más utilizadas:Lb/ pulg2, Nw/m2 (Pascales), atmósferas.

• Columna de líquido = mm de Hg, pies de H2O., m.c.a. metros o pies columna de fluido


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MEDICIÓN DE LA PRESIÓNMEDICIÓN DE LA PRESIÓNEjemplos Ilustrativos

1. Expresar 155 Kpaman como Pabsoluta

La Patm = 98 Kpa

Pabs = 155 +98 = 253 Kpa abs

2. Exprese 10.9 Psia como psig

Pat = 15.0 Psia

Pabs = Pg + Pat

Pg = Pabs – Pat

= 10.9 – 15 = - 4.1 Psig

No es que la presión sea negativa.

Son 4.1 psi por debajo de la Pat.

Son 4.1 psi de vacío.


.


3. Exprese (–6.2) Psig como Pabs

Pabs = Pg + Patm

La Patm puede tomarse como 14.7 psia

Pabs = -6.2 + 14.7 = 8.5 psia

4. Exprese 225 Kpa.abs como Pg

Pat local = 101 Kpa.abs

Pabs = Pg + Patm

Pg = Pabs – Patm

Pg = 225 – 101

Pg = 124 Kpa.g


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MEDICIÓN DE LA PRESIÓNMEDICIÓN DE LA PRESIÓNRelación entre Presión y Elevación

1. Válido para líquidos homogéneos.

2. A igual nivel horizontal, igual presión.

3. El es al del líquido.

4. La P varía linealmente con el

5. Si (Z) P , si (Z) P

6. El no depende de la forma del contenedor.

ghgP

ghP

P

P


.

MEDICIÓN DE LA PRESIÓNMEDICIÓN DE LA PRESIÓNEjemplo:

Calcule el cambio de presión del agua desde la superficie hasta 15 pies de

profundidad.

PSI 6.5

P

pu144

pie1pies15

ft

lb462P

2

2

3 lg.


.

MEDICIÓN DE LA PRESIÓNMEDICIÓN DE LA PRESIÓNEjemplo de un ladrillo con las siguientes

dimensiones:


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• De Plano:

p = 12.000 gr./ 800

cm2 = 15 gr./ cm2

• De Canto:

p = 12.000 gr / 400 cm2 = 30 gr./cm2

AW

p

AW

p


.

PRESIÓNPRESIÓN

22

22

lg/2lg100

200lg/2

lg1

2puLb

pu

LbppuLb

pu

Lbp


.

FLOTABILIDADFLOTABILIDAD

“Todo cuerpo sumergido parcial o totalmente dentro de un fluido,

experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del fluido

desalojado.”

…. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES.


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EJERCICIO 1EJERCICIO 1

• Un hidrómetro pesa 0.0216 N, su extremo superior es un vástago cilíndrico de φ 0.28 cm. Cual será la diferencia en longitudes de emergencia del vástago cuando se sumergen en aceite de S.G. = 0.78 y en alcohol de S.G. =0.821


.


cmh

dA

AhV

mV

V

28.2

1000

8.2

44

9790780.00216.0 2.

AlcoholEn 1069.2

9790821.00216.0 1.

22

1

361

1


.


• Se tiene un hidrómetro con peso w, su parte superior es un cilindro con diámetro d; cuál será la diferencia de alturas en su escala cuando se introduce en dos líquidos con densidades 1 y 2, con 1 > 2?


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Peso hidrómetro = Peso líquido desplazado

w

22

1

2

22

1

2

22

1

22

1

2

2

12

11

1111

14

4

1

44

4

d

w

d

wh

hd

wwhdw

w

hd

Vw

wV

VVgw


.

VISCOSIDADVISCOSIDAD

• Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le

somete a un esfuerzo cortante, sin importar la magnitud.


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VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOSVISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS

• La facilidad con la que un líquido fluye o se derrame es un indicativo.

• Es la propiedad de un fluido que ofrece resistencia al movimiento relativo de sus

moléculas.

• La pérdida de energía de los fluidos se debe a su viscosidad.


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VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOSVISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS

Viscosidad Dinámica

La tensión de corte (Esfuerzo) : Es la fuerza requerida para deslizar una capa de

fluido de área unitaria de una sustancia sobreotra capa adyacente de la misma sustancia.

YU

Area

Fuerza


.


= constante de proporcionalidad.

µ = viscosidad dinámica• A= área• U= velocidad• t= separación entre placas.

El esfuerzo cortante es:

Reemplazando se tiene:

AF

tU


.

VISCOSIDAD UNIDADESVISCOSIDAD UNIDADES

Pa.s m 1.0Pa.s 0.001100

CGSPa.s 0.1.

,.

,

.,,

2

2

2

2

poisecentipoise

scmg

cm

sdinapoise

SBspie

slug

pie

lbxs

SIsm

KgsPa

m

Nxs

smm

xm

N

YV


.

VISCOSIDAD UNIDADESVISCOSIDAD UNIDADES

Viscosidad Cinemática ; unidades

Dado que y son características de cada fluido, así también lo es .

En el sistema cgs

v

SBs

pie

SIsm

Kgm

msKg

v

2

23

smstoke

centistoke

sm

scmStoke

26

242

10100

10

TL2


.


yv

tUA

F


.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOSCLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS

• Se pueden clasificar en:

Newtonianos No Newtonianos.

• En los Newtonianos existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante

aplicado y la rapidez de deformación resultante.

• En los no Newtonianos, esa relación no es lineal.


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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOSCLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS


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CLASIFICACION DE LOS FLUIDOSCLASIFICACION DE LOS FLUIDOS

• Reemplazando las unidades:

LYTL

ULF

yu

;;2

TLM

TLM

FcomoyLTF

22

:,


.


.

OTRAS UNIDADES DE VISCOSIDADOTRAS UNIDADES DE VISCOSIDAD

SSU (Saybolt Universal).

SSF (Saybolt Furol).

SSU para crudos poco viscosos.

SSF para crudos más viscosos.


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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOSPROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

• Viscosidad, Densidad y Volumen de un Líquido.– La temperatura en oleoductos es afectada por la temperatura

ambiente tanto como por el calor generado por las bombas y la fricción.

– La viscosidad se incrementa si la temperatura disminuye.

– La densidad se incrementa a medida que la temperatura disminuye.

– El volumen de un líquido cambia proporcionalmente con la temperatura, si la temperatura aumenta el volumen también.

– Si la temperatura disminuye, el volumen también. Esta propiedad es llamada expansión térmica de los líquidos.

– La temperatura estándar que se usa para calcular el volumen es 60 grados Fahrenheit (15 grados centígrados).


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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOSPROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

• Viscosidad, Densidad y Volumen de un Líquido.

– La conversión del volumen de un líquido a un volumen de temperatura estándar, utiliza

la formula:

realaTemperaturT

yCFT

realvolumenV

expansióndeecoeficientC

dondeVTTCVV

estandar

estandarestandar

1

1

111

1560

.

,


.

COMPRESIBILIDAD DE LOS GASESCOMPRESIBILIDAD DE LOS GASES

• PV = RTP = Presión absolutaV = volumenR = es la constante universal de los gases.T = Temperatura en grados K o grados R.

Para una masa constante de Gas:

P1 V1T2 = P2 V2 T1

2

22

1

11

TVP

TVP


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INCOMPRESIBILIDAD DE LOS INCOMPRESIBILIDAD DE LOS LIQUIDOSLIQUIDOS

• Para efectos prácticos en transporte de fluidos, los líquidos se tratan como incompresibles.

• No Obstante hay que tener especial cuidado con la dilatación térmica de los fluidos.

• El agua disminuye su volumen en 5/100.000 por atmósfera de presión.


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PRESIÓN DE VAPORPRESIÓN DE VAPOR

LIQUIDO


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PRESIÓN DE VAPORPRESIÓN DE VAPOR

• El fenómeno de la presión de vapor depende de la temperatura y aumenta con ella.

• La presión de vapor aumenta exponencialmente a medida que la temperatura se incrementa.

• Cuando la presión que actúa sobre un líquido es igual a su presión de vapor, se presenta la ebullición

del liquido.

Pv H2O = 0.339 PSI a 60 ºF.

Pv Hg = 0.0000251 PSI a 60 º F.


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PRESION DE VAPORPRESION DE VAPOR• La presión de vapor de un líquido es la presión por encima

de la cual un líquido no se evapora más. La presión de vapor se incrementa al incrementar la temperatura.

• La evaporación de un líquido en un oleoducto va en detrimento de la operación en la línea ya que la

evaporación:– Causa mediciones imprecisas.– Pérdida de control operacional

– Hace imposible medir la densidad del líquido y puede generar daños severos en las paredes del oleoducto, válvulas y bombas.

• La presión parcial es la presión ejercida por cada uno de los componentes de una mezcla tal como gasolina,

condensados y diesel. Dado que cada uno tiene una presión de vapor diferente, la evaporación puede ocurrir a diferentes

presiones y temperaturas en un oleoducto.


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PRESION DE VAPORPRESION DE VAPOR

A continuación los valores de la presión de vapor de algunos productos, obsérvese la influencia de la temperatura para el caso del agua, situación análoga se presenta con los demás fluidos líquidos, también variará la densidad y el peso específico

Presión de Vapor Gasolina = 9.8 PSIA a 100 ºF.Presión de Vapor ACPM = 0 PSIA a 100 ºF.Presión de Vapor GLP = 120 PSIA a 100 ºF.

Presión de Vapor del Agua = 1 PSIA a 100 ºF Presión de vapor del Agua = 14.7 PSIA a 212 ºF Presión de vapor del Agua =1.543 PSIA a 600 ºF


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CAVITACIÓNCAVITACIÓN• Cuando un líquido esta a una presión menor que su presión de vapor, se evapora espontáneamente, formando bolsas o cavidades de vapor que son

transportadas a otras áreas de presiones mayores en donde se colapsan bruscamente, generando presiones puntuales altísimas que son capaces

de ocasionar erosión severa en las estructuras que los contienen.

• La cavitación es la formación y estallido rápido de burbujas de vapor en el flujo del líquido donde la presión está por debajo de la presión de vapor. La

cavitación es provocada por:

– En Flujos demasiado altos para un sistema determinado.– Incremento de las perdidas por fricción.

– Posibilidad de baja presión de succión en la bomba.– Incremento en la velocidad del liquido.

– Incremento en la temperatura del liquido.– Condiciones de flujo indeseadas, causadas por una obstrucción.

• La cavitación puede prevenirse manteniendo la presión de operación en todos los puntos del sistema por encima de la presión de vapor del fluido

manejado.


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CAVITACION CAVITACION

• La cavitación se presenta cuando el fluido se maneja por debajo de la presión de vapor presentándose

cavidades en el líquido con burbujas de los vapores del fluido .

• Las burbujas viajan con el líquido hasta sitios donde son sometidas a presiones mayores, donde se

colapsan produciendo cargas puntuales muy elevadas y afectando las fronteras sólidas que estén

a su alcance


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CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS CARACTERÍSTICAS DE ALGUNOS FLUIDOSFLUIDOS

PRODUCTO SGU a 60 ºF CP a 60 º F Pv a 100 ºF

GLP 0.512 0.106 120 PSIA

GASOLINA MOTOR

0.743 0.678 9.8 PSIA

ACPM 0.87 5.1 0.0 PSIA

QUEROSENO 0.832 1.9

AGUA 1 1 1 PSIA

CRUDO MEDIO

0.86 150

CRUDO PESADO

0.96 13000

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