UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TCNICAS DE BOMBAS MULTIFSICAS

DE DOBLE TORNILLO SEGN LA NORMA API 676

Por:

Desire Reholn Inojosa

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Enero de 2013

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TCNICAS DE BOMBAS MULTIFSICAS

DE DOBLE TORNILLO SEGN LA NORMA API 676

Por:

Desire Reholn Inojosa

Realizado con la asesora de:

Tutor Acadmico: Nathaly Moreno Salas Tutor Industrial: Haidee Mellior

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Enero de 2013

iv

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE INGENIERA ELECTRNICA

DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TCNICAS DE BOMBAS MULTIFSICAS

DE DOBLE TORNILLO SEGN LA NORMA API 676

PROYECTO DE GRADO Presentado por: Desire Reholn Inojosa Carnet: 07-41422

Realizado con la asesora de: Tutor Acadmico: Nathaly Moreno Salas Tutor Industrial: Haidee Mellior

RESUMEN

Se elaboraron los formatos de los documentos necesarios para la procura de bombas

multifsicas de doble tornillo para aplicaciones en la industria petrolera, requeridos por la

empresa INELECTRA S.A. Los formatos elaborados fueron: especificacin tcnica, hoja de

datos, requisicin de materiales y tabla de evaluacin tcnica; todos ellos con base en los

documentos guas de diseo de INELECTRA y en concordancia con las normas del Instituto

Americano de Petrleo (API), en especial la API 676 para bombas rotativas de desplazamiento

positivo. La finalidad de estos formatos es indicarle al Fabricante las exigencias del Cliente y los

requerimientos mnimos con que debe cumplir el equipo para garantizar un rendimiento

satisfactorio del mismo. Los documentos poseen informacin genrica de este tipo de bombas

para que puedan ser fcilmente adaptados a distintos proyectos de forma rpida y garantizando

que se hagan todas las consideraciones pertinentes para el buen diseo y futura operacin del

equipo.

Palabras claves: flujo multifsico, bombas de doble tornillo, tecnologa multifsica, sistemas

de produccin de crudo, especificaciones tcnicas, normalizacin de documentos.

v

DEDICATORIA

A mi mam,

y

A todas las nias valientes que salen a realizar sus sueos

MARGARITA / Rubn Daro

vi

AGRADECIMIENTOS

La finalizacin de un proyecto de grado representa una trayectoria de trabajo arduo, esfuerzo y

dedicacin, que en mi caso no habra sido posible sin el apoyo de las personas e instituciones que

me han ayudado a hacer posible este momento. Aprovecho esta oportunidad para agradecerles a

todos ellos y compartir los mritos de este logro.

Le agradezco a Dios por brindarme una vida llena de aprendizajes, experiencia y sobre todo por

rodearme de personas maravillosas.

Un agradecimiento especial a la comprensin, paciencia, nimo y apoyo incondicional recibido

por parte de mi mam, pap y familia, en cada uno de los proyectos emprendidos. Por los valores

inculcados y la oportunidad de obtener una excelente educacin.

A mi mam, por ser mi fortaleza y maestra de vida. Simplemente la mejor mam del mundo.

A mi pap, por siempre hacerme creer en mis habilidades y ayudarme a conseguir mis metas.

A mi ta Anita, por tu apoyo incondicional y saber que siempre puedo contar contigo.

A Josmar y Johana, mis hermanas mayores, por ser m modelo a seguir y ayudarme a construir el

camino al xito. Y por aprender de bombas multifsicas conmigo.

A Cleme, la mayor de las hermanas, por tus consejos, comprensin, palabras de aliento y cario

sincero.

A Andreina, Katherin, Esteban, Ral y Sergio, por la amistad fortalecida a lo largo de estos aos.

A Jorge, mi gran compaero de aventuras y sueos. Por apoyarme en cada momento e

impulsarme a ser una mejor persona cada da.

vii

A Mario Di Cicco, excelente amigo, compaero de carrera y pasantas. Por siempre estar all,

escucharme y aconsejarme, adems de hacerme reir y molestar.

A todos mis compaeros de estudio con quin he compartido excelentes historias, en especial a

Oriana M, Oriana R, Danilo y Gabriele. Gracias por todos los momentos compartidos y ser

excelentes amigos.

A mi pas Venezuela y a la Universidad Simn Bolvar, mi casa de estudio, por formarme como

profesional y ciudadana. Al Equipo Baja SAE de la Universidad Simn Bolvar y al Proyecto de

Servicio Comunitario SIMON-line, en especial a sus profesores asesores, por ensearme la

satisfaccin de hacer pas y que no hay sueo imposible.

A la profesora Nathaly Moreno, tutora acadmica, excelente profesional y gua de idea.

A todo el Departamento de Ingeniera Mecnica de la empresa INELECTRA S.A., en especial a

la Sra. Haidee Mellior, tutora industrial de este proyecto, por la experiencia y el aprendizaje

transmitido.

A todos, gracias por ayudarme a construir el camino que apenas empieza.

viii

INDICE GENERAL

INTRODUCCIN ........................................................................................................................... 1

CAPTULO 1. DESCRIPCIN DE LA EMPRESA ...................................................................... 4

CAPTULO 2. MARCO TERICO ............................................................................................... 7

2.1 Flujo multifsico ........................................................................................................................ 7

2.2 Patrones de flujo ........................................................................................................................ 7

2.3 Factores que afectan al flujo multifsico ................................................................................. 13

2.4 Medidores de Flujo Multifsico (MFM) ................................................................................. 13

2.5 Bombeo Multifsico ................................................................................................................ 14

2.5.1 Esquema tradicional de bombeo ........................................................................................... 14

2.5.2 Esquema multifsico de bombeo ......................................................................................... 16

2.5.3 Aplicaciones ......................................................................................................................... 16

2.5.4 Desafos que deben enfrentar las bombas multifsicas ........................................................ 17

2.5.4 Beneficios del bombeo multifsico ...................................................................................... 19

2.5.5 Tipos de bombas multifsicas............................................................................................... 21

2.6 Bombas multifsicas de doble tornillo .................................................................................... 28

2.6.1 Teora de funcionamiento ..................................................................................................... 28

2.6.2 Partes de una bomba doble tornillo ...................................................................................... 39

2.7 Diseo - Norma API 676 Bombas de Desplazamiento Positivo del tipo Rotativa, 3ra

Edicin. .......................................................................................................................................... 42

2.7.1 Puntos importantes y recomendaciones para el diseo ........................................................ 43

CAPTULO 3. METODOLOGA ................................................................................................. 57

3.1 Investigacin ............................................................................................................................ 57

3.2 Conciliacin de informacin. .................................................................................................. 58

ix

3.3 Elaboracin de los documentos. .............................................................................................. 60

3.3.1 Especificacin Tcnica ......................................................................................................... 60

3.3.2 Hoja de Datos ....................................................................................................................... 62

3.3.3 Requisicin de Materiales .................................................................................................... 64

3.3.4 Tabla de Evaluacin Tcnica de Ofertas (ETO) ................................................................... 64

CAPTULO 4. RESULTADOS Y VALIDACIN ...................................................................... 66

4.1 Especificacin tcnica para bombas multifsicas de doble tornillo ........................................ 66

4.1.1 Alcance ................................................................................................................................. 66

4.1.2 Estructura .............................................................................................................................. 66

4.1.3 Validacin ............................................................................................................................. 68

4.2 Hoja de datos para bombas multifsicas de doble tornillo ...................................................... 71

4.2.1 Alcance ................................................................................................................................. 71

4.2.2 Estructura .............................................................................................................................. 71

4.2.3 Validacin ............................................................................................................................. 73

4.3 Requisicin de materiales para bombas multifsicas de doble tornillo ................................... 75

4.3.1 Alcance ................................................................................................................................. 75

4.3.2 Estructura .............................................................................................................................. 76

4.3.3 Validacin ............................................................................................................................. 78

4.4 Tabla de evaluacin de ofertas para bombas multifsicas de doble tornillo ........................... 80

4.4.1 Alcance ................................................................................................................................. 80

4.4.2 Estructura .............................................................................................................................. 80

4.4.3 Validacin ............................................................................................................................. 81

CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 83

RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 84

REFERENCIAS ............................................................................................................................ 85

APNDICE A ............................................................................................................................... 88

x

A.1. Especificacin tcnica para bombas multifsicas de doble tornillo89

A.2. Lista de verificacin ......................................................................................................... 111

APNDICE B .............................................................................................................................. 112

B.1. Hoja de datos para bombas multifsicas de doble tornillo .............................................. 113

B.2. Lista de verificacin ......................................................................................................... 119

APNDICE C .............................................................................................................................. 120

C.1. Requisicin de materiales para bombas multifsicas de doble tornillo ............................ 121

C.2. Lista de verificacin .......................................................................................................... 131

APNDICE D ............................................................................................................................. 132

D.1. Tabla de evaluacin de ofertas para bombas multifsicas de doble tornillo .................... 133

D.2. Lista de verificacin ......................................................................................................... 137

APNDICE E .............................................................................................................................. 138

E.1. Modelaje del flujo multifsico .......................................................................................... 139

xi

INDICE DE TABLAS

Tabla 1-1. Patrones de flujo en un fluido multifsico (Fuente: Falcimaigne & Decarre, 2008) .. 10

Tabla 2-2. Descripcin de las partes de una bomba de doble tornillo ........................................... 41

Tabla 3-3. Simbologa de la hoja de datos .................................................................................... 63

xii

INDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Emblema grfico actual de INELECTRA S.A. ............................................................ 4

Figura 1-2. Estructura Organizativa de INELECTRA .................................................................... 6

Figura 2-3. Esquema convencional de bombeo ............................................................................. 15

Figura 2-4. Esquema multifsico de bombeo ................................................................................ 16

Figura 2-5. Tipos de bombas multifsicas (Fuente: Hippen & Scott, 2002) ................................. 22

Figura 2-6. Bomba de doble tornillo marca Bornemann ............................................................... 22

Figura 2-7. Bomba de cavidad progresiva marca Colfax .............................................................. 23

Figura 2-8. Bomba de pistn doble efecto (Mass Transfer Pump) marca Rotating Right ............ 24

Figura 2-9. Bomba de pistn (Ram Pump) marca Weatherford .................................................... 24

Figura 2-10. Bomba de diafragma ................................................................................................. 25

Figura 2-11. Bomba helicoaxial marca Framo .............................................................................. 26

Figura 2-12. Etapa de una bomba helicoaxial (Fuente: Gi et al. 1992) ....................................... 26

Figura 2-13. Bomba electro sumergible marca General Electric. ................................................. 27

Figura 2-14.Campo de aplicacin de bombas multifsicas. (Fuente: Bombeo Multifsico,

Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008) ............... 28

Figura 2-15. Desplazamiento del fluido en una bomba de doble tornillo ..................................... 29

Figura 2-16. Deslizamiento del fluido del rea de descarga hacia la succin ............................... 30

Figura 2-17. Parmetros de los una bomba de doble tornillo. ....................................................... 31

Figura 2-18. Holguras de sellado (Fuente: Vetter et. al, 2000. p 155) .......................................... 32

Figura 2-19. Trayectoria del fluido en arreglo Double-end (Fuente: Bombeo Multifsico,

Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008) ............... 33

Figura 2-20. Fuerzas radiales (Fuente: Bombeo Multifsico, Aspectos Fundamentales. Taller de

Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008) ........................................................................ 34

Figura 2-21. Control de la holgura radial ...................................................................................... 34

Figura 2-22. Modelo de discos para bombas de tornillo. .............................................................. 36

Figura 2-23. Curva de operacin para viscosidades variables a constante GVF ........................... 37

Figura 2-24. Curva de operacin con GVF variable ..................................................................... 38

Figura 2-25. Mecanismos de erosin. ............................................................................................ 38

Figura 2-26. Corte seccional de una bomba de doble tornillo (Fuente: Catlogo de Flowserve

MP1.Disponible en: www.flowserve.com) ................................................................................... 40

file:///G:/Revision%20Libro/DesireeReholon_Informe%20de%20pasantia%20rev%20NM%20-%20JGI%203.docx%23_Toc345921792file:///G:/Revision%20Libro/DesireeReholon_Informe%20de%20pasantia%20rev%20NM%20-%20JGI%203.docx%23_Toc345921793

xiii

Figura 2-27. Curva caracterstica de bomba de doble tornillo de rotor de 5.3 in dia. -1800rpm .. 44

Figura 2-28. Carcasa de bomba multifsica de doble tornillo ...................................................... 45

Figura 2-29. Diseo de carcasas y sistemas de recirculacin ........................................................ 46

Figura 2-30. Tornillo y rotor no integrales / separados ................................................................. 47

Figura 2-31. Perfiles de tornillos ................................................................................................... 48

Figura 2-32. Rodamiento ............................................................................................................... 50

Figura 2-33. Sello mecnico dual .................................................................................................. 51

Figura 2-34. Lubricacin de rodamientos y engranajes ................................................................ 52

Figura 2-35.Vlvulas de alivio ...................................................................................................... 53

Figura 2-36. Filtro Multifsico Bornemann (Fuente: Disponible en: www.ctg21.com, Principio

de funcionamiento y diseo de bombas Bornemann Consultado en agosto 2012) ..................... 54

Figura 2-37. Disposicin general de una unidad de bombeo multifsico, tuberas y equipos

accesorios....................................................................................................................................... 55

Figura 4-38. Estructura del documento de especificacin tcnica. ............................................... 67

Figura 4-39. Estructura del documento de la hoja de datos. .......................................................... 73

Figura 4-40. Estructura del documento de requisicin de materiales para bombas multifsicas de

doble tornillo ................................................................................................................................. 77

Figura 4-41.Tabla de evaluacin de ofertas................................................................................... 81

file:///G:/Revision%20Libro/DesireeReholon_Informe%20de%20pasantia%20rev%20NM%20-%20JGI%203.docx%23_Toc345921831file:///G:/Revision%20Libro/DesireeReholon_Informe%20de%20pasantia%20rev%20NM%20-%20JGI%203.docx%23_Toc345921831

xiv

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

AN Flujo anular (Anular flow)

AD Flujo neblina (Anular dispersed)

API Instituto Americano del Petrleo (American Petroleum Institute)

ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecnicos (American Society of

Mechanical Engineers)

AGMA Asociacin Americana de Fabricantes de Engranajes (American Gear

Manufacturers Association)

B Flujo burbujeante (Bubbly flow)

bbl Barriles de crudo

C Grados centgrados

CO2 Dixido de Carbono

cP Centipoise

D Dimetro

Edc. Edicin

GVF Fraccin del Volumen de Gas (Gas Volume Fraction)

GLR Fraccin Gas-Lquido (Gas-Liquid Ratio)

GOR Fraccin Gas-Crudo (Gas-Oil Ratio)

h Horas

H2S cido sulfrico

HCl cido clorhdrico

He Helio

IPC Ingeniera, Procura y Construccin

ITP Plan de Inspeccin y Pruebas (Inspection and Test Plan)

k Constante

k1 Constante

Kpag Presin absoluta en kilopascales

m3 Metros cbicos

MACP Mxima Presin Admisible en la Carcasa (Maximum Allowable Casing

Pressure)

MFM Medidor de Flujo Multifsico

xv

N Velocidad

NACE Sociedad Internacional de Corrosin (International Corrosion Society)

NPSH Presin Positiva Neta en la Succin (Net Positive Suction Head)

O/W Crudo en agua (Oil in water)

QT Caudal Terico

QN Caudal Neto

QF Caudal de Fuga

r Paso del Tornillo (Pitch)

rpm Revoluciones por minuto

SL Flujo tapn (Slug flow)

SM Flujo suavemente estratificado (Stratified smooth)

SW Flujo stratificado con ondas (Stratified wavy)

VD Volumen Desplazado

VDR Documentos Requeridos del Fabricantes (Vendor Data Requirement)

W/O Agua en crudo (Water in oil)

vol Eficiencia Volumtrica

1

INTRODUCCIN

INELECTRA es una empresa de ingeniera y construccin venezolana que desarrolla

soluciones integrales para el mercado energtico mundial. Las reas en que presta servicio la

empresa son de generacin de energa elctrica, transporte, minera y metalurgia, siendo una de

las ms representativas en el rea de petrleo y petroqumica.

La demanda de energa a nivel mundial aumenta a una tasa acelerada, y en torno a este

problema se han desarrollado un sinfn de tecnologas con la finalidad de obtener un mejor

rendimiento de las fuentes de energa existentes. Para dar respuesta a esta demanda, la industria

petrolera se ha mantenido en una continua bsqueda y desarrollo de tecnologas que optimicen

sus procesos y eleven sus niveles de produccin; un ejemplo de estas nuevas tecnologas

aplicadas a la produccin de crudo es la del bombeo multifsico.

La tecnologa de bombeo multifsico tiene el potencial de ofrecer importantes ventajas como lo

son: el incremento de la tasa de produccin, mejoras en la recuperacin de pozos maduros,

optimacin del proceso de extraccin de crudo, disminucin del capital de inversin requerido y

de los costos de operacin asociados, adems de ser menos contaminante.

En la industria petrolera es comn encontrar fluidos multifsicos, de hecho, el crudo suele

hallarse junto a gas, agua y partculas slidas. Entre los tipos de bombas utilizadas para manejar

estos tipos de fluidos se encuentran las bombas de doble tornillo; el diseo de estas bombas ha

probado adecuarse perfectamente a este tipo de aplicaciones; su funcionamiento, bajo el principio

de desplazamiento positivo, ofrece un rendimiento eficiente en un amplio rango de fluidos con

condiciones de altos volmenes de gas, viscosidades elevadas y contenido de partculas slidas.

Con la finalidad primordial de prestar un servicio de alta calidad, asegurar el correcto diseo y

seleccin de los equipos mecnicos, y cumplimiento de los requerimientos del Cliente, el

Departamento de Ingeniera Mecnica de la empresa INELECTRA S.A. se encarga de la

elaboracin de la documentacin necesaria para indicarle al Fabricante las exigencias del Cliente

y los requerimientos mnimos con que debe cumplir el equipo para garantizar un rendimiento

satisfactorio del mismo.

2

En este trabajo se presentan los documentos tcnicos necesarios para la procura de bombas

multifsicas de doble tornillo, en conjunto con el procedimiento que se sigui para su

elaboracin.

Entre los documentos tcnicos tenemos la especificacin tcnica de diseo, el cual tiene como

base las recomendaciones de la 3ra edicin de la norma de Bombas de Desplazamiento Positivo

del Tipo Rotativa dictada por el Instituto Americano del Petrleo (American Petroleum

Institute), conocido por las siglas de su nombre en ingls API, y cuyo nmero de identificacin es

el 676. A esta norma se le hicieron adiciones y/o modificaciones de artculos por orden del

Cliente, lecciones aprendidas de INELECTRA o relativas a normas y regulaciones nacionales. El

formato de hoja de datos, el cual recopila los datos del proceso y todas especificaciones tcnicas

del equipo, se realiz siguiendo el modelo de la norma internacional API 676. En lnea con los

dos documentos anteriores, y siguiendo los documentos gua de diseo de la empresa, est la

requisicin de materiales que contendr las especificaciones no tcnicas y condiciones bajo las

cuales se pide una cotizacin o que regirn la procura del equipo. Por ltimo, se elabor un

formato de tabla de evaluacin tcnica de ofertas de bombas multifsicas que tiene la funcin de

verificar que las ofertas recibidas cumplan con todos los criterios y requerimientos establecidos,

adems de comparar las distintas cotizaciones recibidas por parte de los Fabricantes.

Cada documento es enfocado en funcin de un formato general para que pueda aplicarse y

adaptarse a los requerimientos de futuros proyectos bajo los procedimientos y las normativas de

la empresa, y as agilizar la preparacin de ofertas y procura de los mismos.

Planteamiento del problema

La empresa INELECTRA en pro de seguir desarrollando soluciones integrales para el mercado

energtico mundial, busca mantenerse al da con los avances tecnolgicos de aplicacin ingenieril

conociendo su funcionamiento, diseo y aplicaciones. Ejemplo de estas tecnologas es el bombeo

multifsico. Es por ello que se encuentra con la necesidad de elaborar los documentos tcnicos

que describan las bombas multifsicas de doble tornillo (funcionamiento, consideraciones de

diseo y construccin, aplicaciones) y que adems sirvan de base para su procura.

3

Objetivos generales

En todo proceso de licitacin, el tiempo que se demora en generar una oferta a un Cliente es un

factor importante, por ello con los formatos de documentos se busca agilizar el proceso y

minimizar las horas-hombre empleadas. El objetivo general del trabajo es el siguiente:

Desarrollar especificaciones tcnicas y tabla de evaluacin de ofertas para bombas

multifsicas en concordancia con la norma internacional API 676.

Objetivos especficos

Revisin bibliogrfica sobre el tema de estudio. Familiarizacin con los procedimientos

de la empresa y normas de diseo aplicables.

Elaboracin de especificaciones para bombas multifsicas segn la norma API 676.

Revisin de los documentos tpicos para la especificacin de los equipos.

Elaboracin de formato de hoja de datos.

Elaboracin de formato de requisicin de materiales.

Elaboracin de formato de tabla de evaluacin tcnica. Interaccin con las diversas

disciplinas (procesos, instrumentacin, etc.) y apoyos a proyectos en ejecucin de la

empresa.

Elaboracin de un documento tcnico gua sobre las bombas multifsicas.

CAPTULO 1

DESCRIPCIN DE LA EMPRESA

INELECTRA S.A. es una empresa venezolana de servicios globales, en el rea de ingeniera y

construccin, con reconocida reputacin en el desarrollo de proyectos de importancia del sector

energtico. La empresa figura entre las 50 ms importantes del mundo en el sector de energa e

hidrocarburos, siendo una de las tres ms grandes de Amrica Latina.

INELECTRA nace en 1968 como una empresa especializada en servicios de ingeniera que

incorpor posteriormente las reas de procura, gerencia de construccin y construccin directa,

as como las de operacin y mantenimiento; su crecimiento, ha sido en conjunto con la

participacin de compaas extranjeras que han brindado el intercambio tecnolgico necesario.

La finalizacin de los proyectos antes de lo previsto, los estrictos criterios de planificacin y

control de gestin, la aplicacin de tecnologa avanzada como las tcnicas de automatizacin para

la ejecucin del proyecto, adems de la preparacin de profesionales de alto rendimiento y

conocimiento tcnico, son las caractersticas que hacen a INELECTRA destacar en el rea de la

ingeniera profesional.

Con una amplia experiencia en ms de mil proyectos para las industrias del petrleo y gas,

petroqumica, generacin de energa elctrica, acero, aluminio, telecomunicaciones y

Figura 1-1. Emblema grfico actual de INELECTRA S.A.

5

transporte masivo, INELECTRA tiene un historial probado en asumir la responsabilidad por el

diseo, construccin y arranque de proyecto de elevada complejidad.

INELECTRA tiene como visin ser la empresa de soluciones integrales en ingeniera y

construccin ms importante de Amrica Latina, en el sector de la energa, distinguida por su

impecable gestin de riesgo, rentabilidad, excelencia, calidad, seguridad, honestidad y

profesionalismo.

Su misin es crear valor para la sociedad en general, cumpliendo con los objetivos de la

empresa en forma eficiente y eficaz, trabajando en equipo y con una clara orientacin al logro.

Reconocer constantemente la excelencia entre nuestros empleados. Ser responsables con la

seguridad, el ambiente y las comunidades que nos rodean.

Los valores corporativos de la empresa son: orientacin al Cliente, seguridad, calidad,

innovacin, transparencia y tica.

Con respecto a su estructura INELECTRA posee una organizacin vertical, con diferentes

niveles de toma de decisiones. La empresa est conformada por un conjunto de unidades que

actan como centros organizativos con responsabilidades en las actividades de su especialidad,

estas unidades operativas se muestran en la figura 1-2.

Formando parte de la Unidad de Operaciones, se encuentra la Divisin de Ingeniera a la cual

est subscrito el Departamento de Ingeniera Mecnica, entre otros. Este ltimo es el encargado

del desarrollo de la ingeniera relacionada con los equipos mecnicos, equipos tipo paquete,

equipos rotativos, tanques de almacenamiento, recipientes a presin e intercambiadores de calor.

El Departamento de Ingeniera Mecnica se encarga, en forma general, de la seleccin y diseo

preliminar de equipos, criterios de diseo, especificaciones, hojas de datos, requisiciones,

evaluaciones tcnicas de ofertas y revisin de la documentacin generada por los Fabricantes,

adems del traslado de personal de ingeniera a los talleres de fabricacin, inspeccin de equipos,

asistencia a terceros y desarrollos del Departamento; todo esto con la finalidad primordial de

asegurar el correcto diseo y seleccin de los equipos mecnicos, y cumplimiento de los

requerimientos del Cliente.

6

Presidencia

Atencin al Accionista

Finanzas Corporativas

Controlora Corporativa

Seguridad, Higiene y Ambiente

Asuntos Pblicos

Asuntos Legales

Servicios Tecnologa de Informacin

Gestin de la Calidad

Operaciones

Finanzas Proyectos Ingeniera

Procesos Ingeniera Mecnica

Diseo Mecnico

Ingeniera Elctrica

Automatizacin y Control

Ingeniera Civil

Ingeniera de Seguridad y Estudios

Revisiones Tcnicas

Tecnologa

Telecomunicaciones CONTROALCA

Gerentes de Ingeniera

Desarrollo de Negocios

Gestin del Talento

Procura y Construccin Regionales

Figura 1-2. Estructura Organizativa de INELECTRA

CAPTULO 2

MARCO TERICO

2.1 Flujo multifsico

El trmino flujo multifsico se utiliza para hacer mencin a cualquier fluido que est

constituido por ms de una fase, o por componentes que se encuentran separados a nivel

molecular. Son muchos los enfoques que se muestran en la literatura para describir al fluido

multifsico; segn sea un fluido con otro de distinta densidad en suspensin, o como fluidos con

partculas en suspensin (slurry flow), flujos cavitantes, de tipo aerosol, flujo de escombros

(debris flow), lechos fluidizables (fluidized beds), entre muchos otros. De los diferentes puntos

de vista, el ms bsico, y generalmente utilizado, es el de clasificarlo de acuerdo al estado de

cada una de las fases o de los componentes, siendo posible referirse a ellos como fluido gas-

lquido o lquido-slido o fluido de gas-partculas o fluido burbujeante, por citar algunos ejemplo

que se explicarn en detalle a continuacin.

2.2 Patrones de flujo

Los distintos fluidos multifsicos encontrados en la industria del petrleo y del gas estn

fuertemente vinculados con el trmino de patrones de flujo.

Una lnea de produccin comnmente transporta una mezcla compuesta por fluidos con distintas

fases, como gas, lquido y partculas slidas. La dinmica existente entre las distintas fases que

componen esa mezcla es lo que se define como patrn de flujo. El tipo de patrn lo determinar

el balance de las fuerzas actuantes en las zonas de interfase de la mezcla.

El patrn de flujo de un fluido multifsico a travs de un ducto se ve influenciado por las

siguientes variables (Falcone, Hewitt y Alimonti, 2009):

8

Propiedades de la fase, fraccin y velocidades.

Temperatura y presin de operacin.

Dimetro de la tubera, forma, inclinacin y rugosidad; adems de la presencia, aguas

arriba o aguas abajo, de accesorios (ej. vlvulas, codos).

Tipo de fluido: estado estacionario, estado pseudo estacionario o transitorio.

La complejidad de definir los patrones de flujo en mezclas lquido-lquido, sumada a la ya

existente en los regmenes de interaccin de mezclas gas-lquido, es la causa de los problemas en

de prediccin del comportamiento de fluidos como los hidrocarburos.

Si consideramos un reservorio compuesto por hidrocarburo en su 100%, las fases existentes

sern gas (vapor) y lquido. Sin embargo, en la realidad los yacimientos de crudo presentan

hidrocarburos en conjunto con otros fluidos como cido sulfrico H2S, dixido de carbono CO2 y

agua.

La presencia de agua es prcticamente inevitable a medida que los yacimientos se van

madurando, o cuando la inyeccin de agua se hace necesaria para aumentar su produccin. Su

composicin ir cambiando a medida que varan la presin y la temperatura, por lo que se hace

necesario pronosticar su evolucin.

El analizar la composicin de un yacimiento en el tiempo nos puede permitir disear un plan

de produccin mucho ms eficiente adaptado a las necesidades; tomando como ejemplo el agua,

es importante poder vaticinar la fraccin en que se desarrollar en la mezcla para prevenir el

riesgo de corrosin y la formacin de hidratos.

Los hidratos de gas natural (clatratos) son cristales, similares al hielo slido, en los que las

molculas de un compuesto son estabilizadas por molculas de agua a baja temperatura y alta

presin (Sloan y Koh 2008). Debido a que los hidratos son slidos, pueden bloquear las lneas de

produccin o los equipos con que se trabaja el fluido. Adems de estas partculas slidas, durante

la produccin de gas y de crudo, la variacin del fluido puede provocar inestabilidades que

conlleven a la fractura de la pared de perforacin y con ello se producir la presencia de arena en

el fluido de produccin. Para evitar la erosin de los equipos y tuberas, adems de su efecto en la

cada de presin, es importante considerar las cantidades y caractersticas de las partculas slidas

presentes en el fluido tanto para el diseo adecuado del proceso de produccin como para la

seleccin correcta de los materiales a utilizar en el sistema.

9

Por otro lado, la presencia de gas en las mezclas multifsicas ejerce una alta influencia sobre la

seleccin de los equipos con que se manejarn. A continuacin se presentan los trminos que se

utilizan para describir la presencia de gas en el fluido.

Gas Volumen Fraction, GVF, cuya traduccin al espaol es fraccin de volumen de

gas: es la proporcin de volumen de gas presente en el volumen total del fluido (lquido

ms gas), bajo las condiciones de operacin establecidas.

(1.1)

(1.2)

Gas-Liquid Ratio, GLR, traducido al espaol es fraccin gas-lquido: contenido de

volumen de gas presente en el fluido en relacin al volumen de lquido nicamente.

(1.3)

Gas-Oil Ratio, GOR, en espaol fraccin gas-crudo, es la masa de gas contenida en el

volumen de crudo (expresado en pies cbicos estndar por barril de crudo, scf/bbl). Las

condiciones estndar son: 15,56 C y 101,3 KPa.

(1.4)

En resumen, los patrones de flujo se diferencian de acuerdo a la naturaleza de las fases

existentes en la mezcla. A continuacin se mencionarn los distintos regmenes que caracterizan

los fluidos gas-lquido, lquido-lquido, gas-lquido-lquido y gas-lquido-lquido-slido

(partculas en suspensin).

10

Tabla 1-1. Patrones de flujo en un fluido multifsico (Fuente: Falcimaigne & Decarre, 2008)

Tipo de fluido Patrn de flujo Imagen

Gas - Lquido

Flujo estratificado (Separated flow).- El lquido y el gas se separan por efecto de la gravedad; de acuerdo a la estructura en la interfase, se puede clasificar como: suavemente estratificado (SE), estratificado con ondas (EO), flujo anular (FA) y flujo tipo neblina (FN).

Suavemente estratificado (stratified smooth, SM).- Se caracteriza por una interfase con forma lineal, el fluido se mueve de forma lenta.

Suavemente estratificado, SM

Estratificado con ondas (stratified wavy, SW).- Cuando la tasa de movimiento del fluido aumenta en la interfase de la mezcla aparecen

ondas.

Estratificado con ondas, SW

Flujo anular (anular flow, AN).- Al ser muy alta la velocidad del gas, o en el caso de un ducto inclinado, el lquido forma una pelcula

continua sobre la superficie del ducto mientras el gas fluye por el centro.

Flujo anular, AN

Flujo neblina (anular dispersed, AD).- Se puede dar el caso que algunas gotas de lquido se desprendan de la pelcula y sean

transportadas por el gas. Tambin recibe el nombre de flujo anular disperso.

Flujo neblina, AD

Flujo burbujeante (bubbly flow, B).- Fluidos con lquidos de alta velocidad y con gases de baja velocidad, las partculas de gas sern transportadas por el fluido en forma de burbujas uniformes.

Flujo burbujeante, B

Flujo tapn, FT (slug flow, SL).- Es un patrn de flujo transitorio entre el flujo estratificado (FE) y el burbujeante (B). Consiste en largas burbujas de gas (burbujas Taylor) separadas por tapones de agua. Estas secciones de agua pueden arrastrar pequeas burbujas de gas que se desprenden de las ms grandes.

Flujo tapn, SL

11

LquidoLquido

Fluido estratificado.- A razn de la gravedad, los dos lquidos se separan en la tubera.

Suavemente estratificado, SM.- Se caracteriza por una interfase con forma lineal, el fluido se mueve de forma lenta.

Suavemente estratificado, SM

Estratificado con ondas, SW.- La interfase se ve deformada por la aparicin de ondas.

Estratificado con ondas, SW

Zona de mezcla (mixing zone, SMix).- A medida que aumenta la tasa de movimiento del fluido, la deformacin de la interfase se hace ms pronunciada y aparecen zonas de dispersin entre las dos capas.

Zona de mezcla, SMix

Fluido disperso.- En este caso los patrones se pueden dar con el crudo como dominante (agua en crudo W/O) o en agua como dominante (crudo en agua, O/W) dependiendo del estatus continuo de la fase. El proceso por medio del cual una mezcla de crudo y agua cambia de O/W a W/O, es llamado inversin de fase. En esta tabla se presenta la clasificacin con el fluido O/W, teniendo en cuenta que existe su equivalente de W/O para cada uno de ellos.

Crudo en agua con dispersin muy fina (oil in water very fine dispersin, O/W-VFDis).- Posee una distribucin regular de

pequeas gotas de crudo a lo largo de la seccin transversal del ducto. No hay deslizamiento entre las fases de crudo y agua.

O/W-VFDis (W/O-VFDis)

Crudo en agua (oil in water, O/W).- La forma y distribucin de las gotas de crudo son irregulares y dependen tanto de las caractersticas

del fluido como de la tasa de entrada del mismo.

O/W (W/O)

Crudo en agua agitado (oil in water churn flow, O/W-CF).- El lquido se mueve oscilatoriamente en presencia de grandes gotas de

crudo que pueden estallar contra las paredes del ducto, se caracteriza por ser un rgimen inestable.

O/W-CF (W/O-CF)

Crudo en agua y agua (oil in water and water, O/W&W).- Sobre una capa de agua fluye en forma de mezcla dispersa el O/W.

O/W&W (W/O&O)

Crudo en agua y agua en crudo (oil in water and water in Oil, O/W&W/O).- Los dos tipos de dispersin coexisten.

O/W&W/O

12

Gas-Lquido-Lquido

Dependiendo de la tasa de gas, y de lquido, aparecern patrones propios de las mezclas gas-lquido y lquido-lquido.

Fluido lquido lquido estratificado.- Por efecto de la gravedad los dos lquidos se separan. Dependiendo de las caractersticas del fluido y de su historial, la interfase entre los dos lquidos puede ser suavemente estratificado (SE), con ondas (EO) o compuesto por gotas de crudo o agua. En presencia de bajos flujos de gas se detecta el patrn de flujo de tapn (FT) en el lquido ms liviano. Si aumenta la tasa de gas existente, desaparecern las burbujas de gas y se visualizar una completa estratificacin de las tres fases. La interfase entre gas-lquido puede ser suaves o con ondas.

Separado suavemente

estratificado, S-SM

Separado estratificado con

ondas, S-SW

O/W-SW (W/O-SW)

O/W-SM (W/O-SM)

Fluido lquido lquido disperso.- Si se aumenta la mezcla de los dos lquidos, la interfase se rompe y se forma una zona de dispersin. Dependiendo del esfuerzo de corte entre el crudo y el agua, la dispersin puede ser dominada por el crudo o por el agua. La interfase gas-lquido es igual a la descrita anteriormente, suave o con ondas.

Mezcla lquido-lquido.- Se describe como un patrn del tipo de fluido tapn. En el cuerpo del tapn interacta la mezcla uniforme de los lquidos con las fases gas-lquido formando las burbujas. En la pelcula de la burbuja tapn los lquidos se estratifican en capas como consecuencia de la baja frecuencia del tapn (slug). Una vez ms, la mezcla de lquidos en el cuerpo del fluido puede ser dominada por crudo o por agua.

Partculas slidas en suspensin

Gas-partculas.- En un flujo horizontal con una velocidad del gas, se mantiene una mezcla homognea; con una reduccin de la velocidad del gas, las partculas se comienzan a depositar en el fondo del ducto (fluido tipo duna). Una continua reduccin de la velocidad conlleva a un fluido tipo tapn, hasta una determinada velocidad del gas, las partculas continuarn llenando el ducto convirtindose en un lecho fijo (packed-bed).

Homogneo

Fluido tipo duna

Flujo tapn, SL (Slug flow)

Lecho fijo en gas (Packed bed)

Lecho fijo en lquido

(Stationary bed)

Lquido-partculas.- El transporte de partculas (pantano, arena, hidratos) por un lquido se denomina fluido tipo slurry (fluido con partculas en suspensin). Al igual que en el caso anterior, dependiendo de las caractersticas de las partculas y de las velocidad del lquido, se identifican tres patrones de flujo: a alta velocidad, la turbulencia mantiene una mezcla homognea; a medida que la velocidad disminuye, las partculas comienzan a depositarse en el fondo formando una cama de partculas con movimiento lento hasta detenerse y formar un lecho fijo.

13

2.3 Factores que afectan al flujo multifsico

El movimiento de un fluido tiene origen en las fuerzas que actan sobre l. Los factores que

ms influencia tienen sobre un fluido multifsico son mencionadas a continuacin:

Presin: producto de la fuerza que acta sobre elementos de reas o superficies, tiende a

acelerar al fluido en la direccin del gradiente de velocidad.

Viscosidad: es la resistencia del fluido a ser desplazado; tiene efecto sobre un elemento de

rea o superficie tendiendo a uniformar la pelcula del fluido disminuyendo los

diferenciales de velocidad.

Fuerza de gravedad: acelera el fluido en la direccin del vector de la gravedad.

Relacionada a ella, est la fuerza de flotabilidad, la cual se define como la diferencia entre

la fuerza de gravedad y la fuerza de Arqumedes (empuje). La fuerza de flotabilidad

representa la accin neta de la fuerza de gravedad sobre un fluido cuando su densidad no

es uniforme, muy comn en los flujos multifsicos.

Tensin superficial: acta sobre una lnea o curva, tendiendo a minimizar el rea

superficial en la interfase. Es especfica de los patrones de flujo gas-lquido o lquido-

lquido.

Para obtener ms informacin sobre los mecanismos utilizados para el modelaje del fluido

multifsico ver Apndice E.

2.4 Medidores de Flujo Multifsico (MFM)

El medir un fluido multifsico representa un gran desafo, ya que implica la captura de las tasa

de flujo de cada fase a condiciones de lnea sin la necesidad de separarlas, por ejemplo: crudo,

agua y gas. Es importante recalcar que es una medicin no invasiva del fluido.

Las tcnicas tradicionales, aplicadas en plantas de procesos, requieren la separacin completa

de las fases para brindar mediciones acertadas. A pesar de conseguir la tasa de flujo de cada fase

de manera exacta, deja sin efecto el trmino multifsico, por esta razn no cumple con la

definicin de medidor de flujo multifsico.

La medicin multifsica permite medir el flujo de los pozos de una forma continua y muy cerca

de ellos, permitiendo un monitoreo constante de la produccin del pozo. Se debe tener presente

que es una tecnologa con limitaciones, antes de su instalacin es debe realizar un anlisis de

14

costos-beneficios, en algunos instrumentos la estructura del fluido afecta directamente la

precisin de las medidas. Actualmente, en el mercado existe una gran diversidad de medidores

con diferentes principios de funcionamiento. Para su seleccin es necesaria la prediccin del

patrn de flujo y dems propiedades del fluido; e incluso, se deben tomar muestras regulares del

fluido para garantizar el desempeo ptimo del medidor.

Los medidores multifsicos en lnea homogenizan el fluido en un primer paso, para luego

emplear una o combinacin de las siguientes tecnologas de medicin (Kenyery. 2008):

Principios electromagnticos como: microondas, capacitancia, conductancia.

Densitometra o espectroscopia de rayos gamma.

Anlisis de neutrones.

Presin diferencial (Venturi, V-conos, etc)

Desplazamiento positivo.

Ultrasnicas.

Correlaciones cruzadas de seales electromagnticas, radioactivas y ultrasonido para

calcular la velocidad del flujo.

Sin duda, su continuo desarrollo brindar beneficios en las reas de: disposicin de las

instalaciones de produccin, pruebas de pozo, manejo de reservorios, produccin a distancia,

monitoreo de produccin, mediciones submarinas y en fondos de pozos, adems de la reduccin

de costos.

2.5 Bombeo Multifsico

2.5.1 Esquema tradicional de bombeo

Los pozos petroleros, como ya se ha hecho mencin, en su mayora, producen mezclas de gas,

crudo, agua y arena en diferentes proporciones. Desde el inicio de la industria petrolera, la

extraccin del crudo ha sido manejada y transportada por medio de estaciones de produccin y

transporte (localizadas tan cerca del pozo como sea posible), donde se acumula, separan, miden y

tratan los fluidos producidos antes de enviarlos a diferentes destinos, tales como plantas de

compresin, mechurrios, bombas de crudo y patios de tanques para gas y agua, respectivamente.

Para cumplir con este proceso, las estaciones de flujo convencionales estn constituidas por

separadores, bombas de lquido, compresores de gas y tuberas de exportacin. En la siguiente

15

figura se puede observar un esquema de bombeo convencional, donde por la lnea de petrleo

circula la mezcla de crudo con agua y por la otra lnea el gas.

Figura 2-3. Esquema convencional de bombeo

(Fuente: Catlogo de Bombas Multifsicas de la marca Bornemann, p4.2008. Disponible en:

www.bornemann.com)

Como las diferentes fases se separan y se tratan individualmente desde una etapa muy temprana

del proceso, este esquema de produccin es visto como la produccin de una sola fase, razn por

la que recibe el nombre de esquema/sistema de produccin monofsico.

Hasta hace algunos aos segua siendo rentable tcnica y econmicamente utilizar los esquemas

monofsicos para el desarrollo de los pozos petroleros. Actualmente, estos esquemas

convencionales tienen la desventaja de ser altamente costosos y complejos; requieren una alta

inversin para su procesamiento en sitio, adems de su incapacidad de extraer la totalidad de los

recursos existentes o de no poder explorar cuencas lejanas o de difcil acceso como los

yacimientos mar adentro (offshore) y submarinos (subsea). A razn de estos factores, han surgido

nuevos elementos que impulsan la bsqueda de sistemas altamente eficientes alrededor de la

tecnologa multifsica. (Hua et al. 2012)

16

2.5.2 Esquema multifsico de bombeo

El bombeo multifsico permite suministrar energa a un fluido inestable sin ser tratado, es decir,

permite que mezclas lquido-gas-slidos (cuyas concentraciones pueden variar en el tiempo)

vayan del pozo a la succin de la bomba y a su vez sean transportadas a travs de largas

distancias sin la necesidad de una separacin previa, o tener que pasar por algn otro equipo.

(Salis et al.1996. SPE 36591)

A continuacin se muestra en la figura la simplicidad del esquema de bombeo multifsico, y la

razn por la cual es mucho ms econmico que el utilizado convencionalmente.

Figura 2-4. Esquema multifsico de bombeo

(Fuente: Catlogo de Bombas Multifsicas de la marca Bornemann, p5.2008 Disponible en:

www.bornemann.com)

2.5.3 Aplicaciones

El bombeo multifsico cubre un amplio espectro de las operaciones y aplicaciones de las

bombas que van ms all de la industria petrolera.

Entre algunas de las aplicaciones se encuentran los reactores qumicos en la industria nuclear.

Operando en ambientes altamente oxigenados, estas bombas multifsicas operan como la bomba

de circulacin para el enfriamiento del reactor (GVF aproximada de 15% y presin de succin

17

entre 200 y 2000 KPa) su fluido de trabajo contiene fracciones importantes de gas y partculas

slidas llamadas microcristales.

Por otro lado estn las plantas de tratamiento biolgico de agua; donde el equipo maneja el

fluido encargado de enfriar al fermentador, estos fluidos con fracciones de gas, tambin poseen

grandes cantidades de partculas como microrganismos y bacterias. (Cooper et al.1996 )

El bombeo multifsico tambin tiene aplicaciones en la industria del papel, naviera, procesos

qumicos, entre otras.

La industria petrolera, como ya mencionamos, utiliza estas bombas para:

Bombeo de superficie en mar adentro y tierra firme.

Bombeo submarino en aguas muy profundas.

Elevacin artificial en perforaciones para pozos horizontales y verticales.

Reinyeccin de agua.

Compresin de gas hmedo.

Reinyeccin de CO2.

Reinyeccin de gas de destello.

Transferencia en oleoductos.

Adems, las bombas multifsicas, son capaces de trabajar con una gran variedad de fluidos

como: emulsiones, crudo ceroso (petrleo mineral con alta concentracin de hidrocarburos

pesados) bitumen y con crudo extra pesado cargado de arena (Schoener, 2004). Entre los gases

que suelen manejar se observan mezcla de metano y otros hidrocarburos, como etano, propano,

butanos y pentanos; conjuntamente con vapor de agua, cido sulfrico (H2S), dixido de carbono

(CO2), helio (He) y nitrgeno (N), entre otros componentes de menor concentracin (Nabhani

2012) sobre estos ltimos, muy contaminantes, se deben tomar las consideraciones necesarias

durante la etapa de diseo de la bomba.

2.5.4 Desafos que deben enfrentar las bombas multifsicas

La seleccin de las bombas multifsicas no se puede basar en un nico punto de diseo, la

experiencia indica que las condiciones de operacin varan durante la vida til del pozo y puede

llegar a ser muy diferente a las predicciones realizadas (Salis et al.1996. SPE 36591). Por esta

razn las bombas multifsicas se deben disear para enfrentar variaciones en sus parmetros de

operacin teniendo un amplio rango de desempeo.

18

Entre los principales desafos que deben enfrentar las bombas multifsicas tenemos (Hua et al.

2012):

Cambios en las condiciones del fluido durante el periodo de tiempo activo:

Un modelo especfico de bomba es seleccionado a partir de la produccin esperada, lo cual

involucra ciertas suposiciones sobre la presin en el fondo del pozo, corrosin por el agua,

fraccin de gas y otros parmetros del yacimiento. Con el tiempo, la produccin de mezclas

multifsicas pueden desviarse de forma instantnea e inesperada de las expectativas iniciales, y es

por ello que las bombas multifsicas se deben disear para tener un amplio rango de parmetros

de operacin y hacerle frente a esas variaciones; como por ejemplo al fenmeno transitorio de

tapones o bolsillos (slugs) de gas o de lquido que tienen efecto en la dinmica y termodinmica

del fluido. Comnmente, estas bombas son acompaadas por motores con variadores de

frecuencia para modificar la velocidad de operacin de la bomba accionada por el motor elctrico

y as sumar cierta flexibilidad de operacin.

Variaciones del GVF (fluidos transitorios):

Como ya se mencion en la seccin de patrones de flujo, los fluidos transitorios pueden tener

etapas continuas de lquido seguidas por tapones de gas de forma improvista e impredecible. En

casos extremos se pueden dar etapas de 100% lquido, seguidas de etapas 100% gas; estas

variaciones inducen fuertes fluctuaciones en la densidad de la mezcla del fluido. Por lo antes

expuesto, la carga de la bomba y el torque del eje, se someten a variaciones abruptas que pueden

resultar en serios problemas mecnicos para la bomba. Para evitar estos efectos, se deben

equilibrar o amortiguar las variaciones de densidad a niveles aceptables antes de que el fluido

llegue a la succin de la bomba; para ello se recomienda utilizar tanques de amortiguacin

conocidos en ingls como buffer tank, donde el fluido se mezcla y homogeniza antes de entrar a

la succin de la bomba.

Efecto de la compresin del gas:

Esencialmente, las bombas multifsicas son un hbrido entre bombas y compresores. A medida

que aumenta la presin, disminuye el volumen de gas y se acrecienta la frecuencia de las

colisiones de las molculas de gas, lo cual se traduce en un aumento importante de la

temperatura. Normalmente la bomba es enfriada por el fluido que corre a travs de ella, pero al

19

operar con altas fracciones de gas, el efecto de la compresin de ste origina una importante

elevacin de la temperatura que puede inducir expansin trmica en los elementos de bombeo.

Concentracin de partculas slidas (slurry):

La concentracin de partculas slidas en una mezcla tiene una influencia importante en su

comportamiento, adems de su efecto abrasivo sobre las superficies de los elementos mecnicos

con los que entre en contacto. Como vimos en la seccin de patrones de flujo, altas

concentraciones de slidos en un fluido puede cambiar su viscosidad y en consecuencia, su

comportamiento afectar los requerimientos del equipo a las condiciones de operacin dadas (ej.

fluidos tipos duna). La nica forma de evitar la erosin hidroabrasiva en el fluido multifsico,

sera con un dispositivo en la succin de la bomba que logre separar completamente las partculas

slidas de la mezcla lo cual no es siempre factible econmicamente y por razones de operacin.

A la hora de especificar/seleccionar una bomba, el potencial abrasivo del fluido (concentracin,

dimensiones y dureza de las partculas) debe ser determinado previamente para hacer las

consideraciones de diseo necesarias que consigan reducir los efectos erosivos sobre el equipo,

como por ejemplo: la seleccin adecuada de los materiales con una dureza superficial acorde al

fluido.

2.5.4 Beneficios del bombeo multifsico

La tecnologa multifsica ha brindado un gran nmero de ventajas en muchos aspectos, en

particular, el bombeo multifsico resalta por aportar a la industria del crudo y gas los siguientes

beneficios:

Aumento de la produccin:

El bombeo multifsico puede reducir significativamente la presin del fluido en el cabezal del

pozo aadindole, de forma gradual, energa al crudo para vencer la contrapresin (backpressure)

de las tuberas y de la misma instalacin. Es sntesis, el utilizar una bomba multifsica permitir

que el pozo se mantenga produciendo incluso cuando la presin de ste sea muy baja, elevando

los niveles de produccin e incrementando la vida til de los yacimientos.

Puesta en marcha y estabilizacin del flujo en pozos que, naturalmente, no pueden

producir:

Una bomba multifsica puede ser utilizada para iniciar la puesta en marcha de un pozo, ya que,

como se menciona en el punto anterior, estas bombas permiten reducir la presin en el cabezal

20

del pozo facilitando el inicio del proceso de produccin. Estas bombas tambin son capaces de

moderar el flujo de slugs a las plataformas receptoras de la mezcla, reduciendo as las

alteraciones en la produccin.

Produccin de crudo y gas en ambientes hostiles y de difcil acceso:

Se reducen los riesgos existentes por fenmenos ambientales, o probabilidades de accidentes, en

grades infraestructuras ubicadas en el lecho marino, o en climas hostiles como el del rtico y

pases escandinavos, al reducir el nmero de equipos a supervisar y mantener.

Aumento de las trayectorias de bombeo (tieback distance) de la mezcla, desde los

yacimientos (ej. submarinos) a estaciones de procesamiento:

A menudo se hace poco prctico construir una estacin de procesamiento en cada punto de

extraccin, por esta razn las lneas de produccin de los puntos satlites se congregan en una

instalacin comn para su posterior tratamiento. Aadiendo presin al fluido sin procesar, las

distancias desde los pozos satlites submarinos hasta la instalacin principal de procesamiento se

pueden alargar ms all de los actuales records; incluso hasta conseguir lneas de produccin que

vayan desde las estaciones submarinas hasta la costa, eliminando por completo las

infraestructuras costa afuera (offshore). (Hua et al. 2012)

Reduccin de los costos de intervencin de pozos de difcil acceso, marginales y

desarrollo de estaciones submarinas:

Se ha estimado que el costo de una bomba multifasica es aproximadamente el 70% del precio del

equipo convencional de separacin (Dal Porto and Larson 1997). La tecnologa multifsica

aumenta significativamente la produccin y tambin disminuye la inversin en mantenimiento,

tanto por la reduccin en el nmero de equipos como por su frecuencia; es por ello que ofrece

una tasa de retorno de inversin mucho ms rpida. Una ventaja adicional, es que pueden manejar

presiones muy bajas en la succin ofreciendo la oportunidad de explotar pozos marginales que

tradicionalmente habran sido descartados y ahora son fuentes de ingreso.

Ecolgicamente amigable:

Los sistemas de produccin multifsicos eliminan la existencia de los mechurrios para quema

de gas en las zonas de produccin, pudiendo ser ahora tratados para su comercializacin (Lastra

and Johnson 2005). Se generan nuevos ingresos para el operador y se reducen las emisiones de

contaminacin a la atmsfera cuando se comercializa el gas en vez de quemarlo, o al reinyectarlo

21

al pozo para mejorar la recuperacin del crudo. Adems, descartan el almacenamiento del agua

de produccin, su disposicin y transporte en las zonas de produccin. Disminuyen las emisiones

de sonido, y brindan un ambiente de trabajo ms seguro al simplificar las instalaciones.

2.5.5 Tipos de bombas multifsicas

La industria petrolera, desde sus orgenes, ha utilizado los principios de funcionamiento del

bombeo monofsico para cubrir sus necesidades; no obstante, estas bombas monofsicas tienen

problemas para manejar grandes fracciones de gas en mezclas multifsicas, entre otras

dificultades referentes a este tipo de produccin.

A medida que la necesidad de produccin multifsica aument, se fueron adaptando las

tecnologas existentes a esta aplicacin. Los diseos de esta tecnologa se han basado en los dos

ms importantes principios de transferencia de energa al fluido, surgiendo as las bombas

multifsicas de desplazamiento positivo y las rotodinmicas (ver figura 2-5).

BOMBAS MULTIFSICAS

Desplazamiento Positivo

Doble Tornillo

Cavidad Progresiva PCP

(Tornillo Simple)

Pistn

Diafragma

Rotodinmicas

Helico-axial

Centrfuga Multi-Etapa (Tipo ESP)

22

Figura 2-5. Tipos de bombas multifsicas (Fuente: Hippen & Scott, 2002)

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo mueven un volumen finito de fluido, de una zona de

baja presin a otra de alta presin, a travs de unas cavidades formadas entre una cmara o

carcasa (estator) y un elemento impulsor (rotor) (ej. Engranajes, tornillos, paletas, pistn, entre

otros).

El movimiento del fluido tiene origen en la variacin del volumen de la cmara que lo

contiene, es por ello que tambin se les conoce como bombas volumtricas. La variacin del

tamao de la cmara va de un aumento de volumen (succin el fluido entra a la cavidad) a una

disminucin del mismo (impulsin el fluido es desplazado a la prxima cavidad/descarga). La

forma en que ocurre el movimiento depender del tipo de movimiento que tenga el impulsor de la

bomba; si este tiene un movimiento alternativo (ej. pistn, diafragma) se denomina bomba

reciprocante, y si el impulsor tienen un movimiento rotatorio (ej. engranajes, tornillos) recibe el

nombre de bomba rotativa.

En aplicaciones multifsicas destacan los siguientes diseos:

Bomba de doble tornillo:

Figura 2-6. Bomba de doble tornillo marca Bornemann

(Fuente: Catlogo de Bombas Multifsicas de la marca Bornemann.2008)

23

El fluido es desplazado por los hilos de los dos tornillos y es desplazado axialmente mientras

los tornillos giran de forma engranada. La capacidad depende de las dimensiones del paso y del

dimetro del tornillo, adems de su velocidad de rotacin. Brindan buenos resultados para fluidos

de alta viscosidad, pueden manejar desde melaza a gasolina; asimismo, pueden trabajar con altas

concentraciones de gas. No se recomienda para fluidos con altos contenidos de partculas slidas.

Algunos de sus fabricantes son: Bornemann, Flowserve, Leistritz, entre otros. Ms adelante se

describirn con ms detalle.

Bomba de cavidad progresiva:

Figura 2-7. Bomba de cavidad progresiva marca Colfax

(Fuente: Catlogo de Bombas para Transporte de Crudo de la marca Colfax, p6.2011)

Consisten en un estator de goma (elastmero) con cavidades helicoidales y de un rotor de metal

(tornillo). Mientras el rotor gira dentro del estator helicoidal, se van formando las cavidades que

van desplazando al fluido a lo largo de la bomba. Son muy efectivas en el manejo de caudales

pequeos (menores a 30000 bbl/da, volumen total de gas, crudo y agua) y presiones bajas en la

descarga (mximo 2700 KPag). Este diseo tiene la capacidad nica de poder trabajar con altos

contenidos de partculas slidas (arena) pero no se recomiendan para bombear fluidos qumicos

como cido sulfrico H2S o cido clorhdrico HCl que son altamente abrasivos. Son ampliamente

utilizadas en las superficies de los yacimientos como mtodo de levantamiento artificial. Algunos

de sus fabricantes son: Borneman, Colfax, PCM Oil&Gas, Weatherford, entre otros.

24

Bomba de pistn:

Figura 2-8. Bomba de pistn doble efecto (Mass Transfer Pump) marca Rotating Right

(Fuente: Catlogo de Bomba de pistn doble efecto marca Rotating Right.2009)

Con un principio sencillo de operacin, estas bombas reciprocantes con un pistn de doble

accin, son utilizadas para caudales bajos y moderados (aproximadamente un volumen total de

110000 bbl/da) y presiones de descargas menores a 9600 KPag. Brindan una eficiencia

moderada, comparada con otros sistemas de bombeo multifsico, y pueden operar con altas

concentraciones de gas y de partculas de arena. Se destacan dos diseos importantes, el primero,

un pistn horizontal de doble accin impulsado por una caja de engranajes, llamada Mass

Transfer Pump (bomba de transferencia de masa) instalada en 1998 por National Oil Well en

Canad; y el diseo Ram Pump de Weatherford Artificial Lift System (1999) que consiste en

un pistn hidrulico vertical. Otro de sus fabricantes ms importantes es la empresa Rotating

Right.

Figura 2-9. Bomba de pistn (Ram Pump) marca Weatherford

25

(Fuente: Disponible en: www.weatherford.com, seccin Ram Pump Multiphase Bosster Pump.

Noviembre-2012)

Bomba de diafragma:

Figura 2-10. Bomba de diafragma

(Fuente: Disponible en: http://www.gongol.net/sludgeandslurry/howitworks/ . Noviembre-2012 )

Utiliza el efecto reciprocante de un diafragma de goma o de tefln, y de vlvulas check para

bombear el fluido. Se relacionan principalmente con fluidos de mezclas lquido slidos (ej. lodo,

aguas servidas), propias de operaciones de explotacin subacuticas, estas se pueden modificar

para que operen con alta eficiencia al manejar fluidos 100% de GVF. Caudales de 30000 bbl/da

a diferenciales de presin de 3400 Kpa se han alcanzado con algunos modelos de prueba (Beran

1995). Uno de sus principales fabricantes es Nuovo Pignone (Italia).

Bombas rotodinmicas o centrfugas

Las bombas rotodinmicas se caracterizan por transferir energa cintica al fluido por medio de

un impulsor rotativo para luego transformarla en energa de presin en un difusor; el lquido es

elevado para aumentar su energa potencial. Se pueden clasificar en axiales, radiales o mixtas,

dependiendo de la forma de su rodete. En lo que respecta a aplicaciones multifsicas, presentan

limitaciones en lo que respecta a la viscosidad del fluido y a las presiones que pueden manejar,

adems, sus diseos debieron ser adaptadas para manejar mayores porcentajes de gas.

Para aplicaciones multifsicas, destacan las siguientes bombas rotodinmicas:

http://www.gongol.net/sludgeandslurry/howitworks/

26

Bomba helicoaxial:

Figura 2-11. Bomba helicoaxial marca Framo

(Fuente: Catlogo de Bombas Multifsicas Framo, p6. 2002)

Figura 2-12. Etapa de una bomba helicoaxial (Fuente: Gi et al. 1992)

El fluido se mueve axialmente a travs de una serie de etapas que posee la bomba; cada etapa

est compuesta por un rodete con labes que forman canales helicoaxiales que impulsan el fluido

a gran velocidad hasta un difusor esttico, donde la velocidad es transformada en presin. Este

diseo helicoaxial, hbrido entre una bomba centrfuga y un compresor axial, limita la aceleracin

y las zonas de baja presin; adems, gracias a la accin de mezclado de los difusores inter-etapas,

se previene la separacin de la mezcla gas-lquido manteniendo los niveles de presin y

aumentando la eficiencia, operando incluso a 100% GVF y pudiendo alcanzar altas capacidades

si la presin de succin es la necesaria. Usualmente trabajan a altas velocidades, por lo que su

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rango de operacin es bastante amplio. Las holguras del rodete son suficientes para trabajar con

pequeas cantidades de partculas slidas y con un rango limitado de viscosidades.

Vale destacar que, a la par de las bombas de doble tornillo, fue uno de los primeros equipos

multifsicos con amplio desarrollo en aplicaciones submarinas. Entre sus fabricantes destacan:

Sulzer y Framo (Schlumberger).

Bomba multiepata o electro sumergible

Figura 2-13. Bomba electro sumergible marca General Electric.

(Fuente: Disponible en: www.ge-energy.com, seccin Oil&Gas. Noviembre - 2012)

Las bombas electro sumergibles son utilizadas en los fondos de pozos (Downhole Electric

Sumesible Pumps, ESPs) y actan como un mtodo de levantamiento artificial. En un principio

se caracterizaban por manejar grandes cantidades de lquido con pequeas concentraciones de

gas, pero recientemente han sido adaptadas para trabajar a nivel superficial y con mayores

fracciones de gas. Se destacan por trabajar con fluidos de altas temperaturas, altamente abrasivos

y en ambiente muy corrosivos. Uno de sus principales promotores es la empresa Schlumberger,

entre otros fabricantes como Weatherford.

De los tipos de bombas multifsicas mencionadas, actualmente las ms utilizadas son: la bomba

de doble tornillo, la de cavidad progresiva, la helicoaxial y las electro sumergibles; pueden ser

instaladas en tierra firme (onshore), mar adentro (offshore), estaciones submarinas (subsea) y

subterrneas (downhole).

Cada bomba tiene su rea de mayor eficiencia. Para aplicaciones submarinas las bombas de

doble tornillo y las helicoaxiales son las ms apropiadas; sin embargo, los registros indican que

las bombas helicoaxiales seran las ms acertadas tcnicamente y econmicamente, a menos que

http://www.ge-energy.com/

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los fluidos sean muy viscosos. En lo que respecta a tareas subterrneas, las bombas rotativas son

la solucin ms aceptada; en el caso de las bombas de cavidad progresiva su limitacin viene

siendo la temperatura de trabajo y elevadas fracciones de gas. El caso de las bombas electro

sumergible an se encuentra en anlisis, por su reciente aparicin, pero hasta hoy en da han dado

muy buenos resultados en un amplio rango de operacin.

Figura 2-14.Campo de aplicacin de bombas multifsicas. (Fuente: Bombeo Multifsico,

Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008)

2.6 Bombas multifsicas de doble tornillo

2.6.1 Teora de funcionamiento

Movimiento del fluido dentro de la bomba

En las bombas de doble tornillo, los hilos del engranaje de los tornillos y su ajuste con la

superficie de la carcasa (o camisa) es lo que crea uno o ms sets de cavidades cerradas que se van

desplazando en serie desde la succin de la bomba hasta su descarga, proporcionando un fluido

suave (ver detalle de las cavidades formadas por las hlices de los tornillos en la figura 2-15).

Debido a que estas bombas cumplen con el principio de funcionamiento de las bombas de

desplazamiento positivo, entregarn un volumen finito de fluido por cada revolucin que el

tornillo realice. Esta entrega puede ser definida en trminos de volumen desplazado VD , el cual se

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define como el volumen transportado por una revolucin de los tornillos y slo depende de las

dimensiones fsicas de los tornillos.

Figura 2-15. Desplazamiento del fluido en una bomba de doble tornillo

(Fuente: Disponible en: www.ctg21.com, Principio de funcionamiento y diseo de bombas

Bornemann Consultado en agosto 2012)

El flujo entregado tambin se puede definir en trminos de capacidad terica o QT , es decir, el

caudal medido en metros cbicos sobre segundos, que es una funcin donde se relacionan el

volumen desplazado (m) y la velocidad N (rpm, revoluciones por minuto).

(2.1)

Es muy difcil que las cavidades que se forman entre el tornillo y la carcasa se encuentren

completamente selladas; estas holguras existentes permiten el deslizamiento de una fraccin del

fluido que se devuelve hacia el rea de la succin, reduciendo as su capacidad real de la terica.

Estas fugas se originan por el efecto del diferencial de presin entre la succin y la descarga. Si

no fuese por la existencia de estas holguras, la tasa efectiva de flujo neto QN sera igual al caudal

terico. La cantidad de fluido que se fuga QF de una cavidad a otra, vara dependiendo del tipo de

bomba o modelo, la geometra de los tornillos, el GVF, la viscosidad del lquido, la velocidad de

rotacin de los tornillos, y el diferencial de presin. Cuando la bomba trabaja con fluidos 100%

lquidos, el incremento de las prdidas por deslizamiento es proporcional al incremento del

diferencial de presin; en el caso contrario, a elevados valores de GVF, el deslizamiento

disminuye y es prcticamente independiente del diferencial de presin (Yamashita et al, 2001).

http://www.ctg21.com/

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Figura 2-16. Deslizamiento del fluido del rea de descarga hacia la succin

(Fuente: Fuente: Bombeo Multifsico, Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico,

Prof. Frank Kenyery, 2008)

La tasa de flujo de entrega o el caudal neto, es la resta del caudal terico menos el caudal de

fuga (ecuacin 2.2). La tasa de flujo terica no depende del diferencial de presin, al igual que

cualquier bomba de desplazamiento positivo.

(2.2)

El caudal terico puede calcularse fcilmente si se conocen las dimensiones esenciales del

tornillo de la bomba. Para cualquier configuracin de los tornillos, y suponiendo que existe

simetra geomtrica, el tamao de cada cavidad ser proporcional a su longitud y seccin

transversal (ver figura 2-17). El paso r (pitch) de la rosca del tornillo medido en trminos del

mismo dimetro nominal, que es utilizado para calcular el rea de la seccin transversal, define la

longitud. Por lo tanto, la capacidad de flujo de cada cavidad es proporcional al cubo de este

dimetro nominal D y de la velocidad de rotacin N.

(2.3)

O en funcin del paso,

(2.4)

31

Donde

siendo k y k1 constantes.

Figura 2-17. Parmetros de los una bomba de doble tornillo.

(Fuente: Van Beijnum, p3. 2007.)

Entonces, para una geometra dada, se puede decir que un pequeo incremento en el tamao de

la bomba puede proveer un aumento considerable en el caudal a entregar por la bomba. La tasa

de deslizamiento, antes mencionada como caudal de fuga, tambin puede ser calculada; se suele

obtener por medio del uso de relaciones empricas o por medio de consideraciones con base en

lecciones aprendidas en otros proyectos.

La eficiencia volumtrica (vol) se define como la relacin entre el caudal neto QN y el caudal

terico QT.

(2.5)

Una vez ms se evidencia como el rendimiento de la bomba est relacionado con las prdidas

por deslizamiento, que a su vez dependen del diferencial de presin, las holguras y el nmero de

cavidades del perfil del tornillo. Por todo ello se puede concluir que, a bajos GVF la bomba

perder eficiencia debido a que el aumento de su capacidad no podr contrarrestar las prdidas

por deslizamiento. En el caso opuesto, cuando el fluido presenta altos valores de GVF (ej., GVF

> 60%), a pesar de que la capacidad de la bomba decae dramticamente, la eficiencia no se ver

afectada debido a que el aumento de la compresin del gas reducir las perdidas por

deslizamiento. (Hua et al. 2012)

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Holguras

Un punto de consideracin especial para el diseo y seleccin de una bomba multifsica de

doble tornillo, es la reduccin de las prdidas por deslizamiento a travs de las holguras internas,

su proteccin contra la erosin hidroabrasiva a travs de la seleccin de los materiales, y que el

nmero de cavidades del tornillo permita una distribucin adecuada de la presin.

Como fue mencionado anteriormente, para reducir las prdidas por deslizamiento se debe

asegurar que las holguras estn completamente llenas de lquido; por ello es importante

identificar los siguientes tres puntos (Vetter et. al, 2000):

Holgura circunferencial (Circunferencial clearance, CC): espacio entre el dimetro

perimetral del tornillo y la carcasa.

Holgura radial (Radial clearance, RC): espacio entre el dimetro interno y externo del

perfil del tornillo.

Holgura del diente (Flank clearance, FC): espacio entre los dientes de los perfiles del

tornillo.

Sus dimensiones dependern de las tolerancias con que sean maquinadas, la dureza del material

del tornillo, la estructura de la carcasa versus su deformacin por efecto de la presin, as como la

relacin existente entre los rodamientos y el pandeo del eje. La holgura circunferencial (CC) es la

de mayor influencia en las prdidas internas por deslizamiento al ser el rea transversal la de

mayor dimensin.

Figura 2-18. Holguras de sellado (Fuente: Vetter et. al, 2000. p 155)

33

Otro aspecto importante a considerar en el dimensionamiento de las holguras, y que se

mencion entre los desafos que debe enfrentar una bomba multifsica, es la erosin por la

presencia de partculas slidas.

Diseo de doble succin (Double-end)

La disposicin ms utilizada es la del enmallado de un tornillo de rosca izquierda con uno de

rosca derecha, cada uno en sus respectivos ejes, bombeando al fluido desde los extremos hacia el

centro (ver figura 2-19). Este diseo permite duplicar la capacidad de la bomba y balancear las

fuerzas hidrulicas axiales producto de la presin generada en la descarga. Otro aspecto positivo

de esta disposicin es que, los sellos mecnicos solo estarn sometidos a la presin del rea de

succin.

Figura 2-19. Trayectoria del fluido en arreglo Double-end (Fuente: Bombeo Multifsico,

Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008)

Este arreglo de doble succin, adems de estar sometido a las fuerzas hidrulicas axiales que

son canceladas, est sujeto a fuerzas hidrulicas radiales que provocan el pandeo de los tornillos.

Estas fuerzas radiales dependen de la presin, paso del tornillo, resistencia del eje, el rea del

anillo interno de los rodamientos, y el perfil de los tornillos.

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Figura 2-20. Fuerzas radiales (Fuente: Bombeo Multifsico, Aspectos Fundamentales. Taller de

Bombeo Multifsico, Prof. Frank Kenyery, 2008)

La cantidad de pandeo es funcin de la presin, paso del tornillo, mdulo de elasticidad del

material del eje, dimetro del eje y los rodamientos. El de ms influencia de todos ellos son los

rodamientos, y por esta razn, los fabricantes ofrecen arreglos con soportes largos y cortos

(bearing brackets) para ellos segn las fuerzas a las que estn sometidos. La direccin del

pandeo es predecible, esta depender de la direccin en la que se ubiquen los extremos del

tornillo; como consecuencia, se debe dejar una holgura circunferencial, entre el tornillo y la

carcasa, donde puede ocurrir la deflexin del eje a altas presiones o la expansin trmica de los

elementos rotativos (ver figura 2- 21).

Figura 2-21. Control de la holgura radial

(Fuente: Bombeo Multifsico, Aspectos Fundamentales. Taller de Bombeo Multifsico, Prof.

Frank Kenyery, 2008)

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La presin

Las bombas multifsicas de doble tornillo tienen la capacidad de trabajar a bajas presiones en la

succin, siempre y cuando la presin neta en la succin (NPSH, siglas de su nombre en ingls

Net Positive Suction Head) cubra como mnimo todas las prdidas que ocurren en la zona de

succin bajo las condiciones de diseo, para as garantizar que el fluido llegue a la primera

cavidad del tornillo. Esto tiene su raz en que la presin de succin no ejerce ningn efecto en el

desplazamiento del fluido, sino tan slo en el deslizamiento del fluido desde la descarga.

Predecir la presin neta disponible en la succin puede llegar a ser una tarea muy difcil

debido a las variaciones del fluido de operacin. Las variaciones en los valores de la presin de

succin estn relacionadas a las del GVF, que a su vez afecta la carga en los ejes de los tornillos.

Es importante considerar que en la presencia de patrones de flujo tipo tapn (slug), o con altos

valores de GVF, son de alto riesgo mecnico para la bomba de no tener una debida lubricacin.

Normalmente, con fluidos incompresibles (100% lquido), la presin se desarrolla de forma

gradual a medida que el fluido se desplaza a travs de los tornillos hacia la descarga; en este caso

se dicta que la distribucin de presin es lineal. Sin embargo, con fluidos compresibles como lo

es el fluido multifsico, el aumento de la presin ocurre principalmente en la ltima cavidad

adyacente al rea de descarga.

Utilizando el modelo de discos circulares, donde el perfil de los tornillos se considera que est

compuesto por discos uniformes, se puede explicar este fenmeno de forma ms simple. Como

podemos ver en la figura 22-Derecha la mezcla multifsica de lquido-gas es separada por la

accin de las fuerzas centrfugas, el gas se queda en el centro y el fluido se desplaza hacia la

superficie de la circunferencia llenando a su vez las holguras. Como la compresin del gas no es

constante ni despreciable la distribucin de presin no seguir una tendencia lineal, sino que por

el contrario, se caracterizar por un aumento de gradientes de presin a medida que se acerca a la

zona de descarga.

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Izquierda: Fluido monofsico- incompresible; Derecha: Fluido multifsico- lquido+gas

Figura 2-22. Modelo de discos para bombas de tornillo.

(Fuente: Vetter et al, p157. 2000.)

Efecto de la viscosidad

La viscosidad es una propiedad de los fluidos que se define como la resistencia del mismo a ser

deformado tangencialmente. Las bombas de doble tornillo, por su carcter de bomba de

desplazamiento positivo, tienen la capacidad de manejar un amplio rango de fluidos viscosos

mostrando un buen rendimiento. Incluso, para un valor de GVF dado, un fluido con viscosidad

alta permitir que la bomba alcance una mayor eficiencia volumtrica, diferenciales de presin y

ms capacidad que un fluido de menor viscosidad (ver figura 2-23)

Las bombas de doble tornillo deben ser dimensionadas considerando como la capacidad de

diseo la disponible al manejar el fluido de menor viscosidad, ms la concentracin de gas

presente, ya que es la condicin en la que aumentan las prdidas por deslizamiento y se entrega el

caudal ms bajo.

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Figura 2-23. Curva de operacin para viscosidades variables a constante GVF

(Fuente: Disponible en: www.ctg21.com, Principio de funcionamiento y diseo de bombas

Bornemann Consultado en agosto 2012)

Efecto del gas entrained y disuelto

El gas, en los fluido multifsico, se puede encontrar disuelto o atrapado (entrained) en forma de

pequeos tapones/bolsillos de forma variante. Las bombas de doble tornillo han mostrado un

buen rendimiento trabajando con altos contenidos de GVF (desde 0 a 100%). A pesar del

aumento en el consumo de potencia y pulsaciones que se generan por ello, y como ya se

mencion, el bombeo de fluidos con altos valores de GVF disminuye las prdidas por

deslizamiento y ayuda a aumentar la eficiencia volumtrica.

La clave para el bombeo de fluidos multifsicos con alto contenido de gas (GVF) es garantizar

la existencia de las cantidades apropiadas de lquido para sellar las holguras entre los tornillos y

la carcasa. Para ello se recomienda utilizar un sistema externo de recirculacin de lquido o que el

diseo de la carcasa de la bomba garantice esta condicin.

http