903-HM120-P09-GUD-069 (Calculos de Perdida de Presion)

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Rev.

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN FECHA

MAR. 10

z

OBJETO

Revisión General

903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

1

de

194

ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

AA/DF

MJP/GP ABA/GP ML/GP

MS/VPO SN/VPO

INEDON

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Rev.

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z d i c e Ín

Página 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6. 11. 11.1. 11.1.1. 11.1.2. 11.1.3. 11.1.4. 11.1.5. 11.1.6. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. 12. 13. 13.1.

INTRODUCCIÓN................................................................................................ 8 ALCANCE .......................................................................................................... 8 OBJETIVOS ....................................................................................................... 8 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA .................................................. 9 INEDON RELACIONADO .................................................................................. 9 ACRÓNIMOS Y SIGLAS .................................................................................. 11 LECCIONES APRENDIDAS ............................................................................ 12 DEFINICIONES GENERALES ......................................................................... 12 MEMORIA DE CÁLCULO ................................................................................ 21 INFORMACIÓN BÁSICA SOBRE LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN ......................................................................................................... 22 Aplicación de los Cálculos ................................................................................ 22 Prioridad en los Cálculos .................................................................................. 23 Sistemas Dimensionados por Otras Disciplinas o los Fabricantes ................... 24 Esquema General para la Realización de los Cálculos .................................... 24 Información Requerida para los Cálculos ......................................................... 25 Bibliografía Especializada ................................................................................ 27 TEORÍA DEL FLUJO EN LAS LÍNEAS ............................................................ 28 Propiedades Físicas de los Fluidos .................................................................. 28 Densidad .......................................................................................................... 29 Factor de Compresibilidad ................................................................................ 29 Gravedad Específica ........................................................................................ 30 Viscosidad ........................................................................................................ 32 Presión de Vapor .............................................................................................. 36 Relación de los Calores Específicos ................................................................ 41 Velocidad del Fluido, Erosional, Sónica y No. de Mach ................................... 41 Número de Reynolds y Tipos de Flujo .............................................................. 46 Rugosidad Absoluta ......................................................................................... 47 Fricción del Fluido en la Línea .......................................................................... 48 Presión Estática................................................................................................ 53 Flujo Bifásico y Multifásico ............................................................................... 54 Efecto de las Propiedades del Fluido y Otras Variables en la Pérdida de Presión ............................................................................................................. 54 USO DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO .......................................................... 54 ELEMENTOS CON PÉRDIDA DE PRESIÓN................................................... 59 Líneas............................................................................................................... 60


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 13.1.1. 13.1.2. 13.1.3. 13.1.4. 13.1.5. 13.1.6. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7. 13.8. 13.9. 13.10. 13.11. 14. 15. 15.1. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9. 15.9.1. 15.9.2. 15.9.3. 15.9.4. 15.10. 15.11. 15.12. 15.13. 15.14. 15.15. 15.16. 15.17. 15.18. 15.19. 15.20.

z Geometría y Elementos de las Líneas .............................................................. 61 Simplificación de la Geometría ......................................................................... 68 Diámetro Interno y Espesor de Pared .............................................................. 69 Rugosidad ........................................................................................................ 74 Propiedades Térmicas...................................................................................... 74 Arreglos Típicos................................................................................................ 74 Válvulas Manuales ........................................................................................... 75 Válvulas de Retención de Flujo ........................................................................ 75 Cambios de Dirección ...................................................................................... 80 Boquillas de Conexión a Equipos ..................................................................... 87 Cambios de Diámetro ....................................................................................... 88 Filtros ................................................................................................................ 92 Elementos Primarios para la Medición de Flujo ............................................... 94 Orificio de Restricción....................................................................................... 96 Válvulas de Control .......................................................................................... 97 Válvulas de Apertura y Cierre ......................................................................... 101 PROGRAMAS DE APOYO AL DISEÑO ........................................................ 101 GUÍA PARA EL USO DE LOS PROGRAMAS DE SIMULACIÓN .................. 104 Tipo de Fluido ................................................................................................. 104 Método Termodinámico .................................................................................. 106 Componentes ................................................................................................. 107 Viscosidad ...................................................................................................... 108 Método para el Cálculo de la Pérdida de Presión........................................... 111 Grados de Libertad ......................................................................................... 114 Tolerancia en la Convergencia de Redes ....................................................... 117 Redes con Lazos ............................................................................................ 120 Transferencia de Calor ................................................................................... 121 Materiales de la Línea .................................................................................... 122 Línea en Contacto con el Aire ........................................................................ 123 Línea en Contacto con el Agua ...................................................................... 124 Línea en Contacto con el Suelo...................................................................... 125 Separadores ................................................................................................... 126 Regulador ....................................................................................................... 128 Elemento de Pérdida de Presión y Temperatura ............................................ 129 Bombas .......................................................................................................... 129 Compresores .................................................................................................. 130 Intercambiadores de Calor ............................................................................. 132 Criterio de Pérdida de Presión por Unidad de Distancia ................................ 132 Cambios de Elevación .................................................................................... 133 Representación de la Geometría de las Líneas ............................................. 135 Deshabilitar Secciones y Elementos en el Modelo ......................................... 136 Transferencia de Información entre los Programas ........................................ 139


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 15.21. 16. 17. 17.1. 17.2. 18. 18.1. 18.2. 18.3. 18.4. 18.5. 18.6. 18.7. 18.8. 18.9. 18.10. 18.11. 18.12. 18.13. 18.14. 18.15. 18.15.1. 18.15.2. 18.15.3. 18.16. 19.

z Requerimiento de Licencias Adicionales ........................................................ 139 SIMULACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO .................................... 140 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE PRESIÓN PARA FLUIDOS PSEUDOPLASTICOS .................................................................................... 142 Información Requerida ................................................................................... 143 Método de Cálculo.......................................................................................... 143 ESQUEMAS TÍPICOS Y SUS CONSIDERACIONES .................................... 151 Transporte a Tanques de Almacenamiento .................................................... 151 Bombas en Serie ............................................................................................ 152 Succión de Líquidos desde Fosas o Pozos .................................................... 153 Arranque en Frío ............................................................................................ 154 Producto Fuera de Especificación .................................................................. 155 Sistemas de Agua de Enfriamiento ................................................................ 156 Sistemas de Flujo por Gravedad y Líneas Parcialmente Llenas .................... 157 Sistemas de Distribución ................................................................................ 160 Paso de Gas de un Sistema de Alta Presión a Otro de Baja Presión............. 161 Recuperación de Vapores en Tanques de Almacenamiento .......................... 161 Gas para Compensación de Presión .............................................................. 161 Inyección de Aire hacia Tanques de Tratamiento de Agua ............................ 163 Líneas de Transferencia de Hornos a Columnas ........................................... 164 Desvíos de los Intercambiadores de Calor ..................................................... 166 Pérdidas de Presión en los Equipos ............................................................... 167 Intercambiadores de Calor ............................................................................. 167 Absorbedores y Mezcladores Estáticos .......................................................... 169 Equipos Finales de Alivio y Venteo ................................................................ 170 Límites de los Equipos Tipo Paquete ............................................................. 171 REFERENCIAS .............................................................................................. 172 ANEXO 1 – PUBLICACIÓN: COMPUTE FRICTION FACTORS FAST FOR FLOW IN PIPES ............................................................................................. 174 ANEXO 2 – DATOS TÉCNICOS DE LAS LÍNEAS ......................................... 175 ANEXO 3 – PLANO DE PLANTA EN DETALLE ............................................ 176 ANEXO 4 – ESTIMACIÓN DE LA RUTA CON UN PLANO DE PLANTA GENERAL ...................................................................................................... 182 ANEXO 5 – ISOMÉTRICOS EN DETALLE .................................................... 185 ANEXO 6 – PLANOS DE PLANTA DETALLADOS ........................................ 190


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z

LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad



Densidad a condiciones actuales

[kg/m3]

G

Densidad actual de la fase de gas

[kg/m3]

L

Densidad actual de la fase de líquido

[kg/m3]

M

Densidad aparente de la mezcla

[kg/m3]

STD

Densidad a condiciones estándar

[kg/Sm3]



Viscosidad cinemática



Rugosidad absoluta

[m]



Viscosidad dinámica

[Pa·s]

J

Coeficiente Joule-Thomson

h

Diferencia de altura

[m]

Pv

Pérdida de presión cinética

[Pa]

Pd, D

Pérdida total de presión en un cambio de diámetro

[Pa]

Ph

Diferencial de presión estática generada por una columna (diferencia de altura) de líquido

[Pa]

Pf

Pérdida de presión por fricción

[Pa]



Ángulo para un cambio de diámetro (reducción o expansión)

[°]

A

Área transversal de la línea

[m2]

C

Constante para la velocidad erosional

[m/s]

c

Velocidad sónica o acústica

[m/s]

CP

Calor específico a presión constante

[J/(g·K)

CV

Calor específico a volumen constante

[J/(g·K)

d

Diámetro interno de la línea

[in]

Deq

Diámetro equivalente

[m]

Dex

Diámetro externo de la línea (OD)

[m]

Din

Diámetro interno de la línea (ID)

[m]

f

Factor de fricción

[-]


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[m2/s]

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[bar/°C]

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Definición

Unidad 9,807 m/s2

g

Constante universal de aceleración

Ga

Flujo volumétrico actual del flujo cruzado en un cambio de dirección tipo “T”

[m3/s]

Gd

Flujo volumétrico actual del flujo recto en un cambio de dirección tipo “T”

[m3/s]

Gz

Flujo volumétrico actual total en un cambio de dirección tipo “T”

[m3/s]

h

Altura

[m]

hL

Pérdidas por fricción en unidad de distancia

[m]

k

Relación de los calores específicos

[-]

K

Coeficiente de resistencia de los accesorios

[-]

Ka

Coeficiente de resistencia de un cambio de dirección tipo “T” para el flujo cruzado

[-]

Kd

Coeficiente de resistencia de un cambio de dirección tipo “T” para el flujo recto

[-]

L

Longitud

[m]

M

Peso molecular

[kgm/kg-mol]

MG

Peso molecular del gas

[kgm/kg-mol]

MACH

Número de Mach

[-]

n

Número de moles

[-]

NPSHA

Altura neta disponible de presión de succión (net pressure suction head available)

[m]

P

Presión absoluta

[Pa]

q

Flujo volumétrico actual

[m3/s]

QG

Flujo volumétrico actual de la fase de gas

[m3/s]

QL

Flujo volumétrico actual de la fase de líquido

[m3/s]

R

Constante individual del gas

R

Radio del accesorio

R0

Constante universal de los gases

Re

Número de Reynolds


[J/(kgm·K)] [m] [J/(kg-mol·K)] [-]

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Definición

Unidad

RH

Radio hidráulico

[m]

SG

Gravedad específica con la densidad del líquido a cierta temperatura y el agua a 60 °F (15,56 °C)

[-]

SG60/60

Gravedad específica con la densidad del líquido y del agua a 60 °F (15,56 °C)

[-]

SGG

Gravedad específica del gas con SG(aire) = 1

[-]

T

Temperatura

[K]

(dv/dr)

Rata de corte o velocidad de deformación

s-1

w

Esfuerzo cortante

a

Viscosidad aparente

v

Velocidad media del fluido

[m/s]

ve

Velocidad erosional

[m/s]

vM

Velocidad de la mezcla

[m/s]

vSG

Velocidad superficial del gas

[m/s]

vSL

Velocidad superficial del líquido

[m/s]

z

Factor de compresibilidad

mPa cP

[-]

Las unidades de medición aplican para las ecuaciones. Los ejemplos, figuras, cuadros, etc. indican la unidad de medición empleada.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 1.

INTRODUCCIÓN

z

El personal de la Unidad de Procesos elabora cálculos de pérdida de presión (cálculos de P) para dimensionar las líneas de transporte de fluidos y establecer la capacidad de flujo y/o de presión de instrumentos (válvulas de control, elementos primarios de medición de flujo, etc.) y equipos (bombas, compresores, expansores, etc.). Los cálculos de P determinan la disminución de la presión debido al flujo en las líneas o el aumento de presión en algunos equipos. Este INEDON tiene en el título la frase “cálculos de pérdida de presión”, en vez de “cálculos hidráulicos”, con el objetivo de generalizar los cálculos que abarcan fluidos gaseosos, líquidos o la presencia de ambas fases. Las recomendaciones para el uso de los programas de apoyo al diseño (Sección 14) están basadas principalmente en los programas “Cálculos Hidráulicos Versión 2004”, desarrollado por el Departamento de Procesos, INPLANT™ (versión 4.0) y PIPEPHASE™ (versión 9.1) de la empresa Invensys® Systems, Inc./ Simsci-Esscor™, estos últimos programas son de uso cotidiano para el personal del Departamento. 2.

ALCANCE Esta guía está enfocada a suministrar los pasos a seguir y las consideraciones necesarias a tomar en cuenta por el Ingeniero de Procesos para el cálculo de las pérdidas de presión en tuberías, accesorios e instrumentos durante la ejecución de un proyecto.

3.

OBJETIVOS Los objetivos de este INEDON son: 

Unificar la metodología para los cálculos de pérdida de presión.



Informar sobre los elementos que generan pérdida de presión: líneas, válvulas, accesorios, etc.



Informar sobre los programas de simulación Departamento de Procesos y su uso básico.



Mostrar los esquemas típicos y las consideraciones para los cálculos de pérdida de presión.


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disponibles

en

el

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 4.

5.

z USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA

I.

Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí.

II.

El usuario de este INEDON tiene la obligación de utilizar la revisión más actualizada de la normativa (normas, códigos, estándares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional usada en el Proyecto. Así como, solicitar al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la instalación.

INEDON RELACIONADO Procedimientos e Instrucciones de Trabajo de inelectra relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003

Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución

903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas

Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901

Elaboración y Actualización de Inedones

Procesos (HM120) 903-P3100-P09-ADM-901

Bases de Diseño

903-HM120-P09-GUD-013

Bases y Criterios de Diseño

903-HM120-P09-GUD-014

Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos

903-HM120-P09-GUD-025

Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación

903-HM120-P09-GUD-041

Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión

903-P3100-P09-GUD-046

Guía para el Diseño de los Equipos Finales de Alivio y Venteo


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 903-HM120-P09-GUD-048

z Guía sobre los Contaminantes en el Gas Natural

903-HM120-P09-GUD-049

Guía para los Cálculos de “Gas Blow-By”

903-HM120-P09-GUD-050

Guía sobre Compresibles

903-HM120-P09-GUD-052

Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo

903-HM120-P09-GUD-054

Guía para Construcción

903-HM120-P09-GUD-063

Lineamientos para la Evaluación de los Hidratos de Gas

903-HM120-P09-GUD-067

Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico

903-HM120-P09-GUD-071

Guía para los Cálculos de Despresurización

Flujo

Crítico

Selección

de

para

Fluidos

Materiales

de

Diseño Mecánico (HM140) 903-P3060-M59-ESP-033

Especificación Técnica para Trampa de Cochino

903-P3060-T05-GUD-X02

Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberías

903-P3060-T10-GUD-067

Criterios para el Diseño de Pipelines

903-P3060-T11-ESP-020

Especificación Técnica de Tuberías y Accesorios de Recubrimiento Interno con Cemento

903-P3060-T11-ESP-022

Especificación Técnica de Aislamiento

903-P3060-T11-GUD-013

Manual de Diseño Mecánico

903-P3060-T11-GUD-056

Guía de Diseño para Golpe de Ariete

903-P3060-T31-GUD-003

Manual de Flexibilidad y Soportería

903-P3060-T51-ESP-026

Especificación Técnica de Sistemas de Protección Contra Incendio

Ingeniería Civil (HM170) 903-P3050-C21-GUD-040

Guía para el Diseño de Drenajes

903-P3050-C21-TEC-026

Criterios de Diseño de Sistemas de Drenajes

903-P3050-C71-ESP-088

Especificaciones Generales para Instalaciones Sanitarias

903-P3050-C71-TEC-087

Criterio de Diseño para Instalaciones Sanitarias


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6.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS

P

Español Diferencial (pérdida o caída) de presión

Inglés

(API) RP (API) STD API ASME ASTM DFP

Diagrama de Flujo de Procesos

DTI

Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación

GPSA HDPE HDPP

Polietileno de Alta Densidad Polipropileno de Alta Densidad

INEDON ISA

inelectra Documento Normalizado

NPS

Tamaño (diámetro) nominal de la línea en pulgadas Politetrafluoruro de Etileno Policloruro de Vinilo Presión de Vapor según el método Reid Presión de vapor real Planta de tratamiento de aguas de desecho (residuales) o efluentes

PTFE PVC RVP TVP WWTP


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Recommended Practice Standard American Petroleum Institute American Society of Mechanical Engineers American Society of Testing and Materials PFD: Process Flow Diagram PID: Piping and Instrumentation Diagram Gas Processors Suppliers Assosiation High Density Polyethylene High Density Polypropylene International Society for Measurement and Control Nominal Pipe Size

Polyvinyl Chlorid Reid Vapor Pressure True Vapor Pressure Wastewater Treatment Plant

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7.

LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas están disponibles a través de la página de intranet de Ingeniería. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener información adicional para el tema de este INEDON. El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, N° 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente “cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantará una No Conformidad” durante una revisión técnica.

8.

DEFINICIONES GENERALES Bases de Diseño (Basis of Design) Documento elaborado conjuntamente entre el Cliente e inelectra. El documento establece la información básica del lugar del Proyecto, premisas y criterios de diseño especiales o particulares, requerimientos de operación, constructibilidad y mantenimiento, normativa para el Proyecto, y toda la información adicional en la cual se fundamenta la ejecución del Proyecto. Dependiendo del alcance del Proyecto y del documento, los usuarios pueden ser solo Procesos, varias o todas las Disciplinas. Consulte los INEDON “Bases de Diseño”, N° 903-P3100-P09-ADM-901, y “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013. Clasificación de Presión-Temperatura (Pressure-Temperature Rating) Las clasificaciones de presión-temperatura son las máximas presiones manométricas permitidas de operación para el material y la designación de la clase para un rango de temperaturas definidas [5]. Las clasificaciones más comunes son 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Coeficiente de Flujo, CV (Flow Coefficient) Coeficiente de una válvula de control, el cual es numéricamente representando como la cantidad de galones por minuto de agua a una temperatura entre 40 °F y 100 °F, la cual fluye a través de una válvula durante un 1 minuto cuando se genera una pérdida de presión de una libra por pulgada cuadrada [13].


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z El coeficiente de flujo está relacionado con la geometría de la válvula para una apertura o carrera definida [11] y es establecido por el fabricante de la válvula.

La nomenclatura del SI usa KV en metros por hora [m/h] y, en resumen, equivale al flujo de un metro cúbico por hora para generar una pérdida de presión de 105 Pa (1 bar) con una temperatura del fluido entre 5 °C a 40 °C. El término de coeficiente de flujo también es usado para las válvulas manuales y algunos instrumentos con paso de flujo; sin embargo, la manera para determinarlo es diferente a la usada para las válvulas de control. La norma IEC 60534-1 [13] no establece unidades de medición para el CV; pero de la siguiente ecuación, se puede establecer que sería galones de los EUA por minuto:  p    CV  Q  Cv    p   w 

Ec. 1

Donde: Q

es el flujo volumétrico medido en USgpm;

ρ

es la densidad del fluido en lb/ft3;

ρw

es la densidad del agua en un rango entre 40 °F y 100 °F, en lb/ft3;

Δp

es la pérdida estática de presión medida a través de la válvula en psi;

ΔpCv = 1 psi. Basado en lo anterior:  psi  lb/ft 3   CV  USgpm   3   psi  lb/ft 

Ec. 2

Hasta que la unidad de medición no esté establecida formalmente en la normativa internacional para las unidades USC, se indica que el CV no tiene dimensión [ - ], lo cual está acorde con la “costumbre general” de la industria.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Coeficiente de Flujo Evaluado, Clasificado (Rated Flow Coefficient)

Valor del coeficiente de flujo a la carrera nominal [2]. Condiciones Actuales (Actual Conditions) Presión y temperatura del fluido a las condiciones de operación (@ P y T). El término aplica a variables volumétricas como el flujo y la densidad. La designación “A” es de uso común en la industria. Ejemplos: ACF (Aft3), pie cúbico actual; Am3, metro cúbico actual. Condiciones Estándar y Normales (Standard & Normal Conditions) Presión y temperatura base para la especificación del volumen de gas y líquido, los valores típicos son:

Condición Estándar Normal

Presión absoluta

1 atmósfera estándar

Temperatura

[bar]

[psi]

1,01325

14,6959

[°C]

[°F]

15,56

60,00

0,00

32,00

Las designaciones “S” para estándar y “N” para normal son de uso común en la industria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cúbico estándar; Nm3, metro cúbico normal. Las condiciones estándar o normales están definidas en las Bases de Diseño del Proyecto. Crudo, Aceite (Crude, Oil) Fase líquida de hidrocarburo con compuestos más pesados que los contenidos en el condensado de gas. Designaciones para el Espesor de Pared y No. de Cédula (Schedule, SCH) A)

Acero al carbono (carbon steel: CS), ASME B36.10M [7]: Las designaciones para el espesor de pared STD (estándar), XS (extra fuerte) y XXS (doble extra fuerte) han sido comercializadas por años [7]. Los números de cédula fueron añadidos luego.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN El No. de cédula 40 y STD son zidénticos hasta un NPS de 10, inclusive. El No. de cédula y XS son iguales hasta un NPS de 8, inclusive. Los valores recomendados de No. de cédula son 40, 80, 160; consulte el INEDON “Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberías”, No. 903-P3060-T05-GUD-X02. También existen otros espesores de pared que ASME B36.19 adoptó del API 5L [4]. B)

Acero inoxidable (stainless steel: SS), ASME B36.19M [8]: Las designaciones son 5S, 10S, 40S y 80S.

Durmientes (Sleepers) Estructura que sirve de base para las líneas a nivel del suelo. La altura es de 30 cm como regla general.

Durmiente Figura 1. Durmientes. Efecto o Expansión Joule-Thomson (Joule-Thomson Effect or Expansion) Cambio de la temperatura de un fluido, el cual ocurre cuando éste es expandido a entalpía constante (subíndice h) desde una alta presión hasta otra más baja (Figura ), se define como:

 T    P h

J  

Ec. 1

Si el coeficiente es positivo, el fluido se enfría al expandirse y si es negativo, se calienta. El efecto es de enfriamiento para la mayoría de los gases, excepto el


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z hidrógeno y el helio. Los valores de J varían desde 0,2 °C/bar (absolutos) hasta 0,8 °C/bar para fluidos de reservorios.

Estado Estacionario (Steady State) Término aplicado a las simulaciones de modelos matemáticos que no consideran el cambio de las variables en función del tiempo, t = 0.

Estado No Estacionario, Simulación Dinámica o Transitoria (Unsteady State, Dynamic or Transient Simulation) Término aplicado a las simulaciones de modelos matemáticos que consideran el cambio de las variables en función del tiempo, t  0.

Presión

Isoterma 1

Isoterma 2

Entalpía

Figura 2. Diagrama presión-entalpía con una expansión isentálpica. Flujo Bifásico y Multifásico (Two-Phase and Multifase Flow) Consulte el INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903-HM120-P09-GUD-067. Gas de Manto (Blanketing Gas) Gas usado en equipos de almacenamiento (por ejemplo, en los tanques) para: 

Evitar la entrada de aire durante operaciones que generen vacío: disminución del nivel de líquido debido a la succión de bombas,


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN enfriamiento del fluido debido az disminución de la temperatura ambiental. La presencia de aire, en suficiente cantidad, puede generar una mezcla combustible del gas. 

Mantener una presión de operación positiva (pocos milímetros o pulgadas de agua) para disminuir la generación de vapores.

Los gases más usados para manto en tanques de almacenamiento son: 

Gas combustible: el componente principal es metano. Este gas es usado si el fluido almacenado lo permite. El gas combustible puede ser producido en las instalaciones o extraído de otra instalación.



Nitrógeno: es usado cuando no es permitido el gas combustible.

Herramienta de Limpieza e Inspección, Cochino (Venezuela), Marrano (Colombia), Chancho (Argentina), Diablo (México) (Cleaning and Inspection Tool, Pig, Scrapper) Equipo usado para: 

Limpiar la línea y remover arena, agua libre, parafinas, etc.



Realizar una inspección (herramienta inteligente o instrumentada, Figura 3) y determinar el espesor de pared y por ende el efecto de la erosión/corrosión, o determinar la ruta de la línea por medio de sistemas de posicionamiento global.



Separar dos tipos de líquidos transportados en la misma línea (Figura 4).



Envío de inhibidor de corrosión y lograr que toda la superficie interna de la línea sea cubierta por una película del inhibidor (Figura 5).


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Figura 3. Tipos de herramientas de limpieza e inspección. Abajo, los del tipo inteligente para mediciones. Sin fluido de sacrificio Fluido 1

Con fluido de sacrificio

Fluido 2 Fluido de sacrificio

Herramienta

Figura 4. Separación de diferentes líquidos por medio de una herramienta. Herramienta

Inhibidor de corrosión

Figura 5. Bache de inhibidor de corrosión separado por dos herramientas. El INEDON “Especificación Técnica para Trampa de Cochino”, N° 903-P3060M59-ESP-033, contiene información sobre los dispositivos (trampas) de envío y recepción de las herramientas.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Golpe de Ariete (Water Hammer)

z

Los sistemas de transporte de líquidos están sujetos a cambios bruscos en sus condiciones hidráulicas debido a los requerimientos de operación típicos del sistema y a las situaciones de emergencia. Estos cambios están asociados al bloqueo de la línea debido al cierre de las válvulas y la detención de las bombas; cuando son cambios bruscos, se generan condiciones transitorias en el flujo, conocidas como Golpe de Ariete. El Golpe de Ariete genera variaciones grandes en las condiciones de flujo (presión y velocidad) a todo lo largo del sistema que pueden ocasionar daños mecánicos a las líneas por el incremento de la presión interna, por presiones de vacío y por pulsaciones. Consulte el INEDON “Guía de Diseño para Golpe de Ariete”, N° 903-P3060-T11-GUD-056, para más información. Línea, Tubería, Cañería, Caño o Ducto (Line, Pipe) Conducto, generalmente circular, para el transporte de fluidos en estado gaseoso, líquido o una mezcla de ambos. Mechurrio (Venezuela), Tea (Colombia), Antorcha (Argentina) o Quemador de Desfogue (México) (Flare) Equipo para la disposición segura de los gases de desecho por medio de una combustión. En un mechurrio elevado, la combustión tiene lugar en el tope (tip) de una línea o estaca. Un mechurrio de piso o de suelo es similar, pero la combustión ocurre a un nivel cercano al suelo. Una fosa de quemado es usada para quema de líquidos. Consulte también el INEDON “Guía para el Diseño de los Equipos Finales de Alivio y Venteo”, N° 903-P3100-P09-GUD-046. Modelo de Simulación (Simulation Model) Modelo, basado en ecuaciones matemáticas, elaborado en un simulador de cálculos de pérdida de presión para representar una línea o red con su geometría, elementos, equipos, etc. Puente o Parral de Tuberías, Cañerías, etc. (Pipe Rack) Estructura con uno o varios niveles elevados donde las líneas, equipos y plataformas son soportados (Figura 6). Las elevaciones y cantidad de niveles varían según los requerimientos de cada Proyecto.


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Puente de tuberías

Figura 6. Puente de tuberías, cañerías, etc.

Sistema de Alivio (Relevo) de Presión (Pressure Relieving System) Arreglo de un dispositivo de alivio de presión, tuberías y medios para transporte y disposición de los fluidos de alivio en fase gaseosa, líquida o ambas. Un sistema de alivio de presión puede consistir en una sola válvula de alivio o disco de ruptura, con o son la tubería de salida, en un recipiente o tubería. Un sistema más complejo puede contar con varios dispositivos de alivio conectados a un sistema de recolección y los equipos finales de disposición. Sistemas de Baja Presión (Low Pressure Systems) Término usado en este INEDON para los sistemas con presión de operación cercana a la atmosférica. Ejemplos: 

Gas de manto (blanketing) hacia o desde los tanques de almacenamiento atmosféricos.



Gas de purga para equipos o sistemas de alivio de presión.



Sistemas de alivio de presión para tanques de almacenamiento.



Salida de vapores desde sellos de bombas y otros equipos rotativos.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 

z Inyección de aire con sopladores.



Succión de compresores para recuperación de vapores desde tanques de almacenamiento.

Sistemas con Baja Pérdida Presión (Low Pressure Drop Systems) Término usado en este INEDON para los sistemas que requieren un dimensionamiento con baja pérdida de presión, estos sistemas pueden tener una presión de operación alta o baja. Ejemplo: succión de bombas y compresores. Tambor Separador de Líquidos de Alivio (Relevo) (Knockout Drum) Recipiente para la separación de los fluidos de alivio: gas y líquido. El gas puede ser enviado a un mechurrio o a un venteo para la disposición final. Los líquidos pueden ser enviados a fosas de quema, tanques para almacenamiento, retornados al proceso, etc. Para fines de este INEDON se designa KO Drum al separador de alivio. 9.

MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo es realizada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo”, N° 903-HM120-P09-GUD-052. Recomendaciones adicionales para la elaboración de la memoria de cálculo: A)

Los cálculos de P son realizados con flujo volumétrico actual. Un caso puede tener menor flujo másico, pero las condiciones de presión y temperatura, así como la composición, pueden originar un mayor flujo volumétrico actual. Ejemplo: la contingencia de fuego en las válvulas de alivio de presión.

B)

Use la palabra “diferencia” en vez de “error” cuando compare resultados. Usted desconoce realmente cuál valor tiene el “error”.

C)

Revise detalladamente la información base usada en los modelos para los análisis de sensibilidad, los cuales pueden llevar días o semanas.

D)

Revise detalladamente que los datos y resultados son coherentes y correctos antes de entregar la memoria de cálculo para revisión.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN E)

z la diferencia entre dos medidas con más Use porcentajes: estos muestran claridad que un valor absoluto. Ejemplo: la presión calculada es 2 psi mayor, ¿con respecto a qué?

Presión de 2 psig

2 psig (valor original)

 100 %

4 psig (aumento de presión)

 200 % (× 2; +100 %)

Presión de 200 psig 200 psig (valor original)

 100 %

202 psig (aumento de presión)  101 % (× 1,01; +1 %)

10. 10.1.

INFORMACIÓN BÁSICA SOBRE LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Aplicación de los Cálculos La Figura 7 muestra la aplicación principal de los cálculos de P realizados por la Disciplina de Procesos durante un Proyecto o Propuesta. En algunos casos también se calculan los tamaños para los orificios de restricción y las válvulas de control; pero generalmente esto es responsabilidad de la Disciplina de Automatización y Control. Líneas con sus accesorios y las válvulas manuales

Tamaño físico

Orificios de Restricción Capacidad volumétrica

Válvulas de Control Bombas, Compresores, Expansores y otros equipos

Figura 7. Aplicación de los cálculos de pérdida de presión para la Disciplina de Procesos.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Los productos (o documentos) elaborados por la Disciplina de Procesos y basados en los resultados de los cálculos de ΔP son resumidos en el Cuadro 1.

10.2.

Prioridad en los Cálculos La prioridad para la realización de los cálculos de P puede ser definida por el Cliente, el cronograma del Proyecto o los requerimientos de otra Disciplina. En caso que no exista una prioridad definida, se puede usar el siguiente criterio: 1)

Líneas de gran diámetro o asociadas a equipos de gran capacidad.

2)

Líneas de las válvulas de alivio de presión y despresurización.

3)

Líneas de menor diámetro o asociadas a equipos de menor capacidad.

4)

Líneas de drenaje desde el equipo hasta la toma de drenaje abierto o las líneas de drenaje cerrado. Cuadro 1. Productos con información de los cálculos de ΔP (diseño nuevo) Productos

Información principal

Diagramas de tuberías e instrumentación

Diámetro de las líneas.

Lista de líneas

Diámetro de las líneas.

Hojas de datos de las válvulas de control

Pérdida de presión requerida, condiciones aguas arriba y aguas abajo.

Hojas de datos de las válvulas de alivio de presión

Condiciones aguas arriba y aguas abajo (contrapresión).

Hojas de datos de los elementos de flujo

Pérdida de presión permitida.

Hojas de datos de los orificios de restricción

Pérdida de presión requerida o flujo máximo permitido.

Hoja de datos de las bombas

Presión de succión y descarga, diferencial de presión, NPSHA, potencia hidráulica.

Hoja de datos de los compresores y expansores.

Presión de succión y descarga, diferencial de presión.


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Productos

10.3.

Información principal

Equipos finales de alivio y venteo


Filtros (como equipos)


Sistemas Dimensionados por Otras Disciplinas o los Fabricantes Los siguientes sistemas (Cuadro 2) son dimensionados, generalmente, por otras Disciplinas de la División de Ingeniería o los fabricantes de equipos tipo paquete. Es importante resaltar que las reglas tienen sus excepciones. Las líneas internas o de interconexión entre los equipos tipo paquete pueden ser alcance del fabricante; pero inelectra vela porque los criterios sean usados en conformidad con lo establecido en el Proyecto. Por tal motivo, la Unidad de Procesos puede estar en la obligación de revisar el dimensionamiento de las líneas más críticas, por ejemplo, las líneas de alivio, succión de bombas y compresores. Cuadro 2. Sistemas dimensionados por otras Disciplinas/Fabricantes. Disciplina / Fabricante

Sistema

Diseño Mecánico

Agua contra incendio. Drenaje abierto o de agua de lluvia.

Ingeniería Civil

Distribución de agua en los edificios. Aguas sanitarias. Distribución de aire de instrumentos desde el distribuidor principal hasta los instrumentos.

Automatización y Control

Líneas internas y de interconexión en los equipos tipo paquete, esto depende del alcance del fabricante.

Fabricante

10.4.

Esquema General para la Realización de los Cálculos La Figura 8 contiene el esquema general para la realización de los cálculos de P. El nivel de detalle de la información depende de la etapa de un Proyecto, por ejemplo, una Ingeniería Conceptual, Básica o de Detalle.


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Obtener la información básica: Bases y criterios de diseño

Propiedades del fluido

Geometría del sistema

Programa para elaboración del modelo

Elaboración del modelo Análisis de los resultados, conclusiones y recomendaciones Elaboración de la memoria de cálculo Figura 8. Esquema general para la realización de los cálculos de P.

10.5.

Información Requerida para los Cálculos A)

B)

C)

Las bases y los criterios de diseño pueden ser obtenidos de las siguientes fuentes: 

Especificaciones del Cliente y alcance del Proyecto.



Especificaciones o requerimientos de los fabricantes de los equipos.



Instrucciones de trabajo de inelectra. Con respecto a la Unidad de Procesos, véase la página de intranet correspondiente.

Las propiedades del fluido pueden ser obtenidas de: 

Especificaciones del Cliente.



Balance de materia y energía.



Simulación del proceso.

La geometría del sistema: 

Estimada con un plano de planta, véase la Sección 13.1.1.


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D)



Obtenida de isométricos, véase la Sección 13.1.1.



Suministrada por la Disciplina de Diseño Mecánico.

Programa para la elaboración del modelo: El programa puede ser solicitado por el Cliente o definido por la Disciplina de Procesos en función de los requerimientos del modelo. Ejemplos: flujo composicional, simulación de redes, simulaciones en estado no estacionario, etc.

E)

Elaboración del modelo: La información de los párrafos anteriores es usada para elaborar el modelo de simulación.

F)

Análisis de los resultados: En base a los resultados se puede establecer el diámetro requerido de una línea o la capacidad volumétrica de un equipo.

G)

Elaboración de la memoria de cálculo: Los cálculos de P son documentados con una memoria de cálculo (Sección 9), esto con el objetivo de realizar la verificación correspondiente por el revisor, aprobador o el personal de revisiones técnicas.

H)

Información de los fabricantes y otras Disciplinas Los fabricantes suministran información sobre el ΔP para los filtros, medidores de flujo, válvulas, equipos, etc. Esa información puede ser requerida para los cálculos detallados; en estos casos se consulta a las Disciplinas de: 

Automatización y Control: válvulas de control, elementos primarios de medición de flujo, etc.



Diseño Mecánico: filtros cuando son considerados como accesorios, las válvulas manuales.



Ing. Mecánica: equipos (intercambiadores de calor, absorbedores, filtros, mezcladores en línea, etc.)


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La información puede también ser solicitada al fabricante o extraída de los catálogos; en ambos casos es importante saber cuál es la base de la información. Generalmente, las gráficas de P son elaboradas para agua, aire o algún hidrocarburo a condiciones de operación definidas; por tal motivo, se requieren correcciones para otras condiciones, densidades y viscosidades. 10.6.

Bibliografía Especializada La información contenida en este INEDON es un resumen de la teoría que existe en la bibliografía especializada. Las siguientes referencias contienen la teoría sobre los cálculos de ΔP y tablas con los diámetros internos de las líneas; pero también información adicional, resumida a continuación:

A)

B)

C)

1

Cameron Hydraulic Data. Flowserve®1: 

La sección de hidráulica está enfocada en las bombas.



Tablas, curvas y monogramas para densidad y viscosidad de varios fluidos.



Manejo de vapor de agua.



Accesorios de las líneas.

Engineering Data Book. GPSA: 

Información similar a la citada anteriormente.



Contiene un resumen de los equipos y procesos para el manejo de hidrocarburos gaseosos y líquidos.

Flow of Fluids Trough Valves, Fittings, and Pipe. Crane Co.: 

Referencia fundamental para los valores de L/D y K de los accesorios, véase la Sección 13 en este INEDON.



Tablas y monogramas para densidad y viscosidad de varios fluidos.

Antiguamente publicado por Ingersoll-Rand.


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D)

E)

F)



Tablas de vapor de agua.



Cálculo del coeficiente de descarga en orificios de restricción y placas de orificio.



Monogramas para conversión de la viscosidad cinemática de unidades Saybolt a cSt.

Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. McGraw-Hill: 




La sección “Transport and storage of fluid” contiene la teoría sobre las bombas, compresores, expansores, eyectores, líneas, etc.



Otras secciones son consultadas para temas específicos.

Piping Handbook. Nayyar, M. McGraw Hill: 




El capítulo “Slurry and sludge piping” contiene información sobre los cálculos de ΔP para fluidos no newtonianos.

Sizing pipe for non-newtonian flow, Chemical Engineering / Diciembre 18, 1988 

11. 11.1.

z

Información para pseudoplásticos.

el

diseño

de

líneas

que

manejan

fluidos

TEORÍA DEL FLUJO EN LAS LÍNEAS Propiedades Físicas de los Fluidos Los fluidos poseen ciertas características por medio de las cuales se puede describir su condición física; esas características son denominadas propiedades del fluido. Resolver cualquier problema de pérdida de presión implica conocer esas propiedades. Esta sección describe brevemente los conceptos básicos de las propiedades físicas de los fluidos y aporta ejemplos de su efecto sobre los cálculos de P.


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11.1.1. Densidad La densidad o peso específico de una sustancia () es la razón de su masa por unidad de volumen. Se expresa tanto por un valor numérico como por unidades adecuadas. La densidad de los líquidos y los sólidos no cambia significativamente con la presión en condiciones ordinarias, pero si cambian con la temperatura. La densidad de los gases es afectada por la temperatura y la presión. La ecuación de estado más sencilla es la ley de los gases perfectos o ideales: PV  RT

Ec. 2

La constante individual de los gases, R, se define como:

R R 0 M

Ec. 3

A partir de la Ec. 2 y Ec. 3 se deriva la ecuación de la cual se rige el cálculo para la densidad para los gases:

P Ec. 4 R T Esta ecuación se aplica a los componentes puros y a las mezclas, es suficientemente precisa hasta para presiones de 2 atm, en la mayor parte de los compuestos e incluso para presiones mayores, en el caso de moléculas pequeñas no asociadas.



11.1.2. Factor de Compresibilidad El factor de compresibilidad z es un coeficiente ajustable que se inserta en la ley de los gases ideales para compensar la no idealidad de un gas. De esta manera la ley de los gases ideales se convierte en una ley de los gases reales, una ecuación de estado generalizada, donde z = 1 para un gas ideal. P V  z  n  R  T

z


Ec. 5

P V n  R T

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Ec. 6

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Cálculos estimados de densidad de gases pueden ser realizados con la Ec. 7. Si bien es necesario conocer el factor de compresibilidad, un número recomendado es 0,9 para presiones y temperaturas bajas. En el caso de condiciones estándar, se puede usar 1. El Cuadro 3 muestra algunos ejemplos, que incluyen el peso molecular y la densidad a condiciones estándar, esta última puede ser usada para conversiones de flujo volumétrico estándar a másico y viceversa.

Ec. 7



P  MG   factor z T

kg/m3 lb/ft

factor 12,028

3

0,0933

P

T

bara

K = 273,15 + °C

psia

°R = 459,67 + °F

Cuadro 3. Factores de compresibilidad y densidades a condiciones estándar (1 atm y 15,6 °C  60 °F). Gas

z

MG

Metano

0,9975

Gas combustible (85 % molar de C1)

STD [lb/Sft3]

[kg/Sm3]

16,04

0,0424

0,6789

0,9962

19,95

0,0523

0,8454

Aire (seco)

0,9992

28,95

0,0763

1,2230

Hidrógeno

1

2,02

0,0053

0,0851

Nitrógeno

0,9994

28,01

0,0739

1,1831

11.1.3. Gravedad Específica La gravedad específica (peso específico o densidad relativa) es una medida relativa de la densidad. A)

Líquidos Como la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos, la temperatura es la única variable que es considerada para sentar las bases de la gravedad específica, ésta es la relación de su densidad a cierta temperatura con respecto al agua a una temperatura normalizada (por ejemplo, 60 °F  15,56 °C).


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SG 

 cualquier líquido a cierta temperatura  H O @ 60F

Ec. 8

2

A menudo las temperaturas son las mismas y se suele utilizar 60 °F/60 °F (15,56 °C/15,56 °C). SG60 / 60 

 @ 60F H O @ 60F

 SG(agua)  1

Ec. 9

2

Densidad del agua a 60 °F (15,56 °C) = 62,37 lb/ft3 (999 kg/m3).

También existen dos escalas hidrométricas: 

La escala API utilizada para los derivados del petróleo.



Las escalas Baumé con 2 tipos: uno para líquidos más densos que el agua y otro para líquidos más ligeros que el agua.

Las relaciones entre estas escalas hidrométricas y la gravedad específica son: Para productos de petróleo: SG 60 / 60 

141,5 131,5  grados API

Ec. 10

141,5  131,5 SG 60 / 60

Ec. 11

grados API 

Para líquidos más ligeros que el agua: SG 60 / 60 

140 130  grados Baumé

Ec. 12

140  130 SG 60 / 60

Ec. 13

grados Baumé 


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Para líquidos más pesados quezel agua: SG60 / 60 

145 145  grados Baumé

Ec. 14

145 SG 60 / 60

Ec. 15

grados Baumé  145 

B)

Gases La gravedad específica de los gases se define como la relación entre su peso molecular y el del aire:

SGG 

M GAS  SG(aire)  1 M AIRE

Ec. 16

Los valores de SG60/60, SG(agua) = 1, °API, °Baumé o SG(aire) = 1 no son usados para los cálculos de P. La velocidad y otras variables son calculadas con la densidad actual, es decir a las condiciones de presión y temperatura de operación. Si dispone de valores de gravedad específica, verifique la temperatura base. 11.1.4. Viscosidad La viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La viscosidad puede ser dinámica o también llamada absoluta (), la unidad común en la industria es cP (centi poise). También existe la definición de viscosidad cinemática (), con la unidad de medición cSt (centi stokes), la relación entre la viscosidad dinámica y la cinemática es mostrada en la Ec. 17.




 

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Ec. 17

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Cuadro 4. Factores de conversiónzpara la viscosidad dinámica o absoluta y viscosidad cinemática. Viscosidad dinámica,  Pa∙s 1

cP

Viscosidad cinemática,  m2/s

lb/ft·s

cSt

ft2/s

1000

0,672

0,1

1000

1,076

100

0,0672

0,01

100

0,1076

6,72·10–4

1·10–4

0,1 1·10–3

1

1

1,076·10–3

La viscosidad cinemática es muy usada para los hidrocarburos líquidos pesados; si es requerido un cálculo de la viscosidad dinámica, use los factores del Cuadro 5 en función de la unidad de densidad.

Cuadro 5. Factores para cálculo de la viscosidad en función de la densidad actual. Ec. 18 factor   



  (o SG )

kg/m3  factor

cSt

cP

lb/ft SG

3

999,09 62,43 1

La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad. Para gases y líquidos simples (bajo peso molecular), la viscosidad es constante cuando se fijan la presión estática y la temperatura. Los materiales de este tipo se denominan newtonianos. Si la viscosidad de un fluido es una función del esfuerzo cortante, equivalente a la razón de corte, además de la temperatura y la presión, el fluido se denomina no newtoniano.


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Flujo

100 cP

250 cP

1000 cP

Newtoniano No newtoniano

Pérdidas de presión por fricción Figura 9. Comparación de las pérdidas de presión por fricción en función del flujo para un fluido newtoniano (varias viscosidades) y no newtoniano.

Viscosidad dinámica

Los crudos pesados y extra pesados tienen curvas de viscosidad en función de la temperatura que aumentan exponencialmente a bajas temperaturas (Figura 10). Los modelos de simulación pueden ser ajustados para considerar esos aumentos de viscosidad, véase la Sección 15.4.

Crudo pesado Agua

Temperatura Figura 10. Comparación de la viscosidad del agua y de un crudo pesado en función de la temperatura.


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Esfuerzo cortante 

viscosidad

z La viscosidad de un fluido no Newtoniano puede disminuir o aumentar según el tipo de fluido. Los fluidos no newtonianos pueden clasificarse en las siguientes clases:

rata de corte

Newtoniano

rata de corte

Figura 11. Comparación del esfuerzo y la viscosidad en función de la rata de corte 

FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO Son aquellos cuyo esfuerzo cortante a cualquier velocidad de corte es constante en el tiempo. o Pseudoplásticos Este tipo de fluidos abarcan la gran mayoría de crudos extra pesados manejados en la industria del petróleo. Se caracterizan por que su viscosidad decrece con el incremento de la rata de corte. Este comportamiento ocurre durante un cierto rango de ratas de corte; a muy bajas o muy altas ratas, el fluido puede comportarse como Newtoniano. En la sección 17se muestra una metodología para el dimensionamiento de líneas que manejan este tipo de fluidos. o Bingham Este tipo de fluidos se caracterizan por que para que ocurra movimiento del fluido debe aplicarse una fuerza inicial. Por debajo de dicho esfuerzo, el fluido se comporta como un sólido.


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o Dilatantes Son aquellos fluidos cuya viscosidad aumenta con el incremento de la rata de corte. 

FLUIDOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO Son aquellos cuyo esfuerzo cortante varía de acuerdo con la duración de una determinada velocidad de corte . o Tixotrópicos Los fluidos tixotrópicos son aquellos cuya viscosidad disminuye con la temperatura a una rata de corte dada. o Reopécticos Los fluidos reopécticos con aquellos cuya viscosidad aumenta con la temperatura a una rata de corte dada.



FLUIDOS VISCOELÁSTICOS Son aquellos que se caracterizan por que tienen tanto propiedades viscosas como elásticas, es decir que presentan comportamientos tanto de líquidos como de sólidos. Ejemplos de este tipo de fluidos son la gelatina, helados, etc.

Este INEDON no trata el tema de los fluidos no newtonianos, con excepción de una aproximación a los cálculos de pérdida de presión para fluidos pseudoplásticos. Se recomienda al usuario consultar la bibliografía especializada, debido a las consideraciones especiales para los cálculos de P de otro tipo de fluidos no newtonianos”. 11.1.5. Presión de Vapor La presión de vapor o de saturación es la presión de equilibrio termodinámico a una temperatura definida. Las principales consideraciones de la presión de vapor para los cálculos de P aplican a los líquidos en los siguientes casos: A)

Si la temperatura se mantiene constante, y la presión del sistema desciende por debajo de la presión de vapor, puede haber un cambio de fase (componentes puros) o la generación de flujo bifásico (mezclas multicomponente), Figura 12.


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Presión

Componente puro

Mezcla multicomponente Curva de punto de rocío

Las curvas de punto de rocío y de burbuja se solapan

Líquido

Dos fases

Vapor

Vapor Curva de punto de burbuja

Temperatura Figura 12. Diagramas P-T para un componente puro y para una mezcla multicomponente. B)

La presión de vapor disminuye el NPSHA de las bombas según la ecuación: NPSHA = presión de succión – presión de vapor + factor cinético(2)

Ec. 19

La presión de vapor para los cálculos de NPSHA (Figura 13) puede ser obtenida de: 

La presión de operación de un separador en equilibrio termodinámico es igual a presión de vapor del líquido.



La presión de operación de un plato de una columna es igual a la presión de vapor del líquido.



Si existe un subenfriador en la succión de la bomba, se obtiene la presión de vapor a la temperatura de subenfriamiento.

2

El factor cinético en la conexión de succión de las bombas es solo considerado en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”. Consulte el manual del usuario para más información. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Presión de vapor = presión de operación

Presión de vapor determinada a la temperatura de subenfriamiento

Presión de vapor = presión de operación del plato de la columna

Figura 13. Presión de vapor para cálculos de NPSHA. C)

La cavitación es otro riesgo generado por la presión de vapor; se produce cuando la presión del sistema es menor que la presión de vapor del líquido, lo cual origina burbujas de gas, éstas colapsan al aumentar de nuevo la presión (Figura 14). La cavitación genera ruido, vibración de las partes del equipo o instrumento y erosión interna del material.

Burbuja inical

Comienzo del colapso de la burbuja

Formación de un micro-chorro de Impacto sobre el líquido metal

Figura 14. Cavitación y su efecto sobre las paredes del metal. La presión de vapor de líquidos subenfriados puede ser obtenida de los simuladores comerciales como se explica a continuación: PRO/II® (Invensys, Inc.) dispone de la propiedad Boiling Point Pressure at Stream Temperature (presión de ebullición a la temperatura de la 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z corriente), la cual se puede colocar una tabla de propiedades (Stream Property Table) del menú Options. La Figura 15 muestra un ejemplo que contiene también la TVP (true vapor pressure) y la RVP (Reid vapor pressure).

Figura 15. Ejemplo para obtener la presión de vapor en PRO/II®. Si el presión de ebullición y la TVP tienen la misma temperatura base, ambas son iguales; pero PRO/II® tiene por defecto una temperatura de 100 °F (38,8 °C) para la TVP, la temperatura base se puede modificar en la ventana de las unidades de medición (Figura 16).

Figura 16. Temperatura base para la TVP en PRO/II®. AspenHYSYS® (Aspen Technology) permite hacer una referencia de la corriente a evaluar. En la corriente de referencia se elimina la presión y 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN se coloca una fracción de vapor = 0,z lo que permite que el programa calcule la presión de vapor en base a la temperatura y la composición. En la Figura 18, a la izquierda está la corriente de referencia sin cambios; a la derecha, la corriente luego de eliminar el valor de presión y colocar una fracción de vapor = 0, la presión calculada equivale a la presión de vapor a la temperatura de operación.

Figura 17. Ejemplo de la corriente de referencia en AspenHYSYS®.

Figura 18. Ejemplo para obtener la presión de vapor en AspenHYSYS®. Si el fluido es agua, se pueden usar tablas de saturación disponibles en la literatura especializada para obtener la presión de vapor. Ejemplo con el Cuadro 6: por medio de una interpolación lineal, T = 85 °F (29,4 °C)  PVAPOR = 0,602 psia (0,04 bara). La interpolación sencilla es permitida porque los pares de datos generan una línea entre ellos. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z de vapor (saturación) Cuadro 6. Presión

del agua en función de la temp. [12].

Temperatura

Presión de vapor

[°F]

[°C]

[psia]

[bara]

32

0

0,08859

0,00611

40

4

0,12163

0,00839

50

10

0,17796

0,01227

60

16

0,25611

0,01766

70

21

0,36292

0,02502

80

27

0,50683

0,03494

90

32

0,69813

0,04813

100

38

0,94924

0,06545

11.1.6. Relación de los Calores Específicos La relación de los calores específicos (CP/CV) es denominada con la letra k. Esta relación es usada principalmente para los gases en los cálculos de velocidad del sonido y presión de flujo crítico Consulte el INEDON “Guía para los Cálculos de Gas Blow-By”, N° 903-HM120-P09-GUD-049. 11.2.

Velocidad del Fluido, Erosional, Sónica y No. de Mach A)

Velocidad del fluido El término de velocidad se refiere a la velocidad media o promedio del fluido en un área de sección de la línea, determinada por la ecuación de continuidad para flujo estacionario expresándose para flujos de una sola fase como:

v


q A

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Ec. 20

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z El Cuadro 7 muestra una ecuación para calcular la velocidad media del fluido en función del flujo másico y otras variables.

Cuadro 7. Cálculo de la velocidad media con el flujo másico. Ec. 21

v

B)

v

factor

m

factor  m

m/s

1,722

kg/h

 d2  

ft/s

0,16

lb/h

d

 kg/m3

in

lb/ft3

Velocidad erosional

Las líneas con flujo bifásico que contienen gas y líquido usan adicionalmente el criterio de velocidad erosional, cuya referencia estándar de la industria está basada en la API RP 14E:

ve 

M 

C

M

 L  QL  V  QV QL  QV

La API RP 14E no indica la unidad de medición de la constante C. Este INEDON usa unidades de medición en función de las usadas para la velocidad y la densidad, tomando como ejemplo otras fuentes, por tal motivo: C en m/s (ft/s) para ve en m/s (m/s) y  kg/m3 (lb/ft3). El criterio considera que la velocidad de mezcla del fluido (vM) es menor o igual a la velocidad erosional:

vM  ve vM  vSG  vSL


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z recomendados para C. Cuadro 33. Valores

Tipo de fluido

Servicio

Fluido sin arena

Valor de C [m/s]

[ft/s]

Continuo

122

100

Discontinuo

153

125

Fluido sin arena, cuando no se conoce riesgo de corrosión o cuando la corrosión es controlada (ej. uso de inhibidor de corrosión)

Continuo

183 a 245

150 a 200

Discontinuo

305

250

Aceros inoxidables, aleaciones especiales

Continuo/ Discontinuo

> 245

> 200

duplex

o

Algunas fuentes indican que los valores de C según la API RP 14E son considerados conservadores; pero su aumento y por ende de la velocidad del fluido para permitir un flujo mayor o el uso de diámetros menores, es acordado previamente con el Cliente y el valor de C es incluido en las Bases de Diseño del Proyecto. La memoria de cálculo emitida por la Disciplina de Procesos recomienda el monitoreo del espesor de pared, consulte el INEDON “Guía para Selección de los Materiales de Construcción”, N° 903-HM120-P09-GUD-054. Aunque la API RP 14E no muestra a la velocidad erosional como criterio para dimensionamiento de líneas de una sola fase, se consideran las siguientes excepciones:

A)

Si el Cliente dispone de la velocidad erosional como criterio diseño en sus especificaciones; pero es importante aclarar si también es usado para fluidos de una fase en caso que no esté indicado explícitamente.

B)

Si existen fluidos de una sola fase que tengan riesgo de formación de flujo bifásico debido a cambios en las condiciones de presión y/o temperatura. Por ejemplo, un gas en su punto de rocío. Esto considera que la termodinámica de los fluidos en un simulador de procesos es ideal cuando no se consideran las variaciones de presión y temperatura del fluido, por ejemplo debido a los cambios en las condiciones ambientales o inestabilidades de la operación. La presencia de gotas de líquido puede originar la erosión en los cambios de dirección (codos, “T”, etc.). Definido de otra manera, el criterio no es usado para gas sobrecalentado ni líquido subenfriado.


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C)

Si existe una fase de gas o líquido con flujo de arena, la API RP 14E no dispone de un valor recomendado para C; pero debido a la falta de un criterio estandarizado en la industria, se recomienda el uso de la velocidad erosional según lo indicado anteriormente. La memoria de cálculo emitida por la Disciplina de Procesos recomienda el monitoreo del espesor de pared. Si no existe otro criterio de dimensionamiento (por ejemplo pérdida de presión por unidad de longitud, velocidad máxima, límites de presión disponible o requerida, etc.), se recomienda el uso del criterio de la velocidad erosional como último recurso, aunque el personal de la Disciplina de Procesos es exhortado a usar un buen criterio de diseño, consultar la literatura especializada o al personal de mayor experiencia.

C)

Velocidad sónica y Número de Mach La velocidad sónica o acústica a través de un medio continuo es la velocidad de una onda muy pequeña de compresión-expansión, que se mueve a través del medio adiabáticamente y sin fricción. El movimiento de una onda sonora es termodinámicamente un proceso a entropía constante o isentrópico (indicado por el subíndice S). La definición de velocidad sónica es:  ∂P  c     ∂  S

Ec. 22

La derivación de la presión P con respecto a la densidad ρ es realizada a una entropía constante. Para un gas ideal (o perfecto):  ∂P  k  R T    MG  ∂  S

Ec. 23

Basado en lo anterior, lo siguiente es válido para un gas ideal:

c

k  R T MG

Ec. 24

La Ec. 24 es corregida con el factor de compresibilidad para gases reales: 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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c

z  k  R T MG

Ec. 25

INPLANT™ reporta de dos maneras la velocidad sónica: en el Velocity Summary como la velocidad crítica (Figura 19), y en el Link Report/Holdup and Velocity Report (Figura 20). El valor es reportado solo para las secciones de líneas (PIPE) con flujo gaseoso o bifásico (Figura 19). El Número de Mach (MACH) se define como el cociente entre la velocidad del fluido y la velocidad del sonido en ese fluido:

MACH 

v c

Ec. 26

En el caso de fluidos compresibles, el MACH es calculado usando la velocidad sónica a una presión y temperatura local. MACH y por consiguiente la velocidad sónica son usados para definir los criterios de velocidad de gas o flujo bifásico (gas-líquido). Equivale a la velocidad sónica

Solo gas Bifásico Solo líquido

Figura 19. Velocity Summary en INPLANT™. La columna Outlet Quality (extraída del Results Summary) indica la cantidad de vapor, Fraction = 1: solo vapor, 1 > Fraction > 0: flujo bifásico, Fraction = 0: solo líquido. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Figura 20. Holdup and Velocity Report en INPLANT™. 11.3.

Número de Reynolds y Tipos de Flujo El Número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional, que muestra la naturaleza del flujo en línea, depende de la densidad, velocidad, del diámetro interno de la línea y la viscosidad. El valor numérico de la combinación adimensional de esas cuatro variables puede considerarse como el cociente entre las fuerzas de inercia y de los esfuerzos cortantes debido a la viscosidad. Re 

  v  Din Fuerzas de inercia   Fuerzas de viscosidad

Ec. 27

El número crítico de Reynolds corresponde a la transición del flujo turbulento al laminar, conforme se reduce la velocidad y donde el comportamiento del flujo es difícil de predecir. Su valor depende de la geometría del canal y está dentro del intervalo de 2000 y 4000 para líneas circulares. El flujo laminar (Re < 2000) genera un fluido con una velocidad que tiene un perfil parabólico, la máxima velocidad se ubica en el eje concéntrico de la línea y la mínima en las cercanías de las paredes (Figura 21).


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Laminar

Transición

Re < 2000

Turbulento

2000 < Re < 4000

Velocidad máxima = 2 • velocidad promedio

Re > 4000

Velocidad máxima = 1,2 • velocidad promedio

Figura 21. Tipos de flujo y sus límites en función del Número de Reynolds. Un flujo turbulento es aquél que se alcanza a Re mayor que el crítico (> 4000). En este tipo de flujo existe un movimiento irregular de las partículas en dirección radial, por lo que la distribución de la velocidad es más uniforme en la sección de línea que en el flujo laminar (Figura 21). Sin embargo aún con un movimiento turbulento existe, cerca de las paredes de la línea, una porción del fluido que sigue un patrón laminar llamada “capa límite”. 11.4.

Rugosidad Absoluta La rugosidad absoluta  expresa la irregularidad de la altura media de las asperezas, como un promedio obtenido del resultado de un cálculo con las características del flujo, mas no propiamente por el obtenido como la media de las alturas determinadas físicamente de la pared. También existe el concepto de rugosidad relativa que es la relación que la rugosidad absoluta guarda con el diámetro de la línea, /D. El Cuadro 8Cuadro 8 muestra valores de rugosidad para los materiales más comunes. Ajuste el valor de la rugosidad absoluta en función del tipo de material de la línea. Los programas de simulación tienen acero al carbono comercial por defecto. Cuadro 8. Rugosidad absoluta de varios materiales. Material Acero al carbono

 [mm]

[m] 46


0,046 47

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[ft]

[in]

1,51·10–4

1,81·10–3 INEDON

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

z

Material

[mm]

[m]

[ft]

[in]

comercial sin uso (a) Acero al carbono oxidado (b)

150

0,15

4,92·10–4

5,91·10–3

Acero inoxidable

15

0,015

4,92·10–5

5,91·10–4

Hierro galvanizado

152

0,015

5·10–4

6·10–3

Acero recubierto con material epóxico

7,62

7,62·10–3

2,5·10–5

3·10–4

Teflon®, PTFE

1,52

1,52·10–3

5·10–6

6·10–5

PVC, HDPE, HDPP

21,34

0,021

7·10–5

8,4·10–4

Concreto

305 a 3050

0,305 a 3,05

0,001 a 0,01

0,012 a 0,12

Notas: (a)

Este es el valor típico para las líneas de acero al carbono cuando han estado expuestas a la intemperie y se han oxidado ligeramente debido a la humedad del aire o la lluvia.

(b)

Los valores de  para acero al carbono oxidado varían en la literatura, el valor mostrado es un promedio y puede requerir modificación cuando se conoce que la línea está muy oxidada, esto es determinado con información suministrada por el Cliente, por ejemplo fotos del interior de la línea.

La evaluación de líneas existentes puede requerir del ajuste de  para reproducir la pérdida de presión cuando se tienen datos medidos en campo y se desea reproducir esos datos con el modelo de simulación. Sin embargo, existen otras variables que pueden requerir ajuste, por ejemplo, los valores de L/D de los accesorios y las válvulas. La opción de ajustar  es recomendada para líneas de mucha longitud, mientras que el ajuste del L/D es recomendado para líneas de poca longitud.

11.5.

Fricción del Fluido en la Línea El flujo en las líneas siempre va acompañado del roce entre las partículas del fluido y con las paredes del conducto, trayendo como consecuencia la pérdida de energía, que se traduce en una pérdida de presión en dirección del flujo, esto se conoce como pérdidas por fricción.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Existe una distinción real entre la pérdida de presión y la perdida por fricción. La pérdida de presión representa una conversión de energía de presión en cualquier otra forma de energía, mientras que la pérdida por fricción representa una pérdida neta de la energía de trabajo total disponible que caracteriza al fluido.

La ecuación general de pérdida de presión, conocida como la ecuación de Darcy [12], para flujo estacionario en líneas circulares uniformes que corren llenas de líquido en condiciones isotérmicas, expresa la pérdida por fricción en energía específica y viene unidad de longitud por la siguiente ecuación:

hL  f 

L v2  Din 2  g

Ec. 28

La ecuación de Darcy es válida para flujo laminar o turbulento de cualquier tipo de fluido. Sin embargo, cuando se alcanzan velocidades extremas en la línea puede ocasionar que la presión caiga por debajo de la presión de vapor, provocando cavitación y el cálculo de P es inexacto. Todos los términos de la ecuación de Darcy pueden derivarse de datos conocidos y fácilmente mensurables; pero el factor de fricción (f) es determinado experimentalmente. Además del factor de fricción de Darcy, existen el de Fanning (= ¼ · Darcy). Existen ecuaciones para cálculo de P de fluidos compresible (por ejemplo, Weymouth y Panhandle) con factores de fricción propios. Cuando se usa el diagrama de Moody, solo se puede usar el factor de fricción de Darcy [15]. Para flujo laminar (Re < 2000), el factor de fricción depende únicamente del Reynolds y se calcula con la ecuación:

f 

64 Re

Ec. 29

En flujo turbulento (Re > 4000), el factor de fricción depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa es decir, la rugosidad de las paredes de la línea relacionada con el diámetro interno de la misma (ε/ Din), por lo tanto: f = f (Re, ε/Din) 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Debido a que el carácter de la superficie interna de la línea es independiente de su diámetro, la rugosidad de las paredes tiene un mayor efecto en el factor de fricción en las líneas de menor tamaño.

Existen muchas correlaciones que tratan de reproducir matemáticamente la función del factor de fricción. En el Anexo 1, se presenta una publicación en la cual se demuestra que la Ec. 30 ofrece una exactitud y precisión muy aceptable, frente a otras ecuaciones, también mencionadas en dicha publicación.    / d 5,02   / d 14,5   f   2  log    log     Re Re    3,7  3,7 

2

Ec. 30

El factor de fricción calculado con la ecuación anterior se utiliza para flujo líquido y gaseoso. La Figura 22 muestra una adaptación del diagrama de Moody [12] donde se puede observar que la Ec. 29 se extiende hasta Re = 3000 y luego comienza la Ec. 30, esto es el caso general, actualmente no existe un cálculo del factor de fricción en la zona de transición.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Zona de completa turbulencia

Rugosidad relativa, /D

Re = 3000

Factor de fricción, f

f = 64/Re

Zona laminar

Zona critica Zona de transición

No. de Reynolds, Re

Figura 22. Diagrama de Moody, adaptado de [12]. Los programas de simulación tienen un No. de Reynolds por defecto para el límite entre flujo laminar y turbulento (Figura 23). Ese valor determina cuál ecuación se usa para calcular el factor de fricción. El programa “Cálculos Hidráulicos 2004” tiene un Re de transición = 2000. El Re de transición para fluidos muy viscosos (por ejemplo, los crudos pesados y extrapesados) se considera mayor a 3000. Para estos fluidos se recomienda la revisión del valor calculado y de ser necesario, aumentar el límite. Un valor exacto es solamente determinado en el laboratorio. La cercanía del valor Re de transición afecta las pérdidas de presión por fricción y la transferencia de calor.


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Figura 23. Ventana de valores globales por defecto en INPLANT™, donde se observa que el Re de transición es 3000. La Figura 24 muestra un ejemplo entre la relación de f y el Pf en función de Re. Cerca de Re = 2000 se observa una discontinuidad originada por el cambio entre la Ec. 29 (Re < 2000) y la Ec. 30 (Re  2000).


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5.0 4.5

ΔPf

0.050

4.0 3.5

0.045

3.0 f

2.5

0.040

2.0 1.5

0.035

1.0

Pérdidas de presión por fricción [psi]

Factor de fricción de Darcy

0.055

0.5 0.030 1000

2000

3000 4000 No. de Reynolds

5000

0.0 6000

Figura 24. Relación entre f y Pf en función de Re. 11.6.

Presión Estática La diferencia de altura de un fluido genera una presión estática según la ecuación:

Ph    g  h

Ec. 31

El Ph es representativo en los líquidos, los cuales tienen una densidad alta. En fluidos de varias fases, el valor de Ph depende del contenido de líquido. Mientras que para los gases, el valor es despreciable, con la excepción de gases a muy alta presión. El Cuadro 9 muestra la Ec. 31 para calcular el Ph para los sistemas de unidades más usados. Despejando h se puede convertir un valor de presión en diferencia de altura, Ec. 32.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Cuadro 9. Cálculo de la Ph y conversión de unidad de presión a unidad de altura.

Ec. 33

Pestática



P  factor h  h 

bar

kg/m3

Ec. 32

Ph  11.7.

  h factor

psi

lb/ft

3

h

factor

m

10200

ft

144

Flujo Bifásico y Multifásico El INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903-HM120-P09-GUD-067, contiene la teoría básica sobre flujo bifásico y multifásico.

11.8.

Efecto de las Propiedades del Fluido y Otras Variables en la Pérdida de Presión El Cuadro 10 es un ejercicio para mostrar como las propiedades del fluido y otras variables afectan las pérdidas de presión para flujo monofásico de un fluido newtoniano. El ejercicio considera que una variable cambia y las otras permanecen iguales. El Cuadro 11 presenta el mismo ejercicio para flujo laminar monofásico de un fluido pseudoplástico, mostrando solo las variables que difieren con respecto a un fluido newtoniano.

12.

USO DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO Los criterios de diseño permiten realizar un dimensionamiento de las líneas, los instrumentos y equipos dentro de los parámetros aceptados en la industria, a nivel de seguridad y costos. La Figura 25 muestra un resumen de los criterios más importantes descritos en el INEDON “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013. La mayoría de los criterios están basados en límites de velocidad, incluso el criterio de pérdida de presión por unidad de longitud (por ejemplo, P/100 ft), es afectado por la velocidad. El uso básico de los criterios de diseño es: 1)

Seleccione el criterio en función del sistema en evaluación.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 2)

z Revise que las variables calculadas son menores o están dentro del rango del criterio de diseño.

Cuadro 10. Efecto de las propiedades del fluido y otras variables en el P. Variable q Din L

  h  P T



v 

ve

Re

(1)



=

Pf

f 

(1)

Ph

(1)

=

(1)







=







=





=







=





=







=



(2)



(3)

 

 

 

 

 

 

 



=

=







=



=

=







=



=

=

=

=

=





=

=

=

=

=





=

=

=





=



=

=

=





=

=

(2)

=

=

(3)

=



(4)



(5)

= =



(6)



(7)

Leyenda:  Aumento de la variable.  Disminución de la variable. = La variable permanece igual o no es afectada. Notas: (1) 2 El efecto de la velocidad es mayor en el Pfricción (v ) que en el Re (v). (2) En un sistema de gas, el efecto es similar a una disminución de la densidad debido al mayor P por unidad de longitud. (3) En un sistema de gas, el efecto es similar a un aumento de la densidad debido al menor P por unidad de longitud. (4) En un sistema de gas, el efecto del aumento de presión es similar a la disminución de la densidad. (5) En un sistema de gas, el efecto de la disminución de la presión es similar al aumento de la densidad. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Variable (6)

(7)

v

z

ve

Re

Ph

Pf

f

El aumento de la temperatura tiene un efecto similar a la disminución de la densidad y la viscosidad. La disminución de la temperatura tiene un efecto similar al aumento de la densidad y la viscosidad.

Cuadro 11. Efecto de las propiedades del fluido y otras variables en el P para fluidos pseudoplásticos.

Variable



v

Re

f

 Pf (1)

q

(1) (2)

Din

(2)

T (1) Debe verificarse pues en ciertos puntos se presenta disminución (2) Aunque se presenta disminución, esta no es marcada como lo es para los fluidos Newtonianos, y en algunos puntos puede incluso presentarse un incremento debido al elevado incremento de viscosidad


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Presión disponible en el punto de partida o la presión de requerida en el punto de llegada. Pérdida de presión permitida. Ej. P/100 ft Límites de Diseño

Evita el gasto excesivo de energía en equipos: bombas, compresores, etc.

Velocidad máxima permitida, v  vmax Velocidad erosional, v  C/M

Evita el desgaste excesivo del espesor del material de la línea con flujo bifásico

Parámetro  · v

Evita la vibración y el ruido excesivo. Principalmente para gas o flujo bifásico.

2

Figura 25. Resumen de los criterios de diseño para cálculos de P. Existen casos, en los cuales se tiene cuidado para evitar un sobre diseño, debido a que el valor calculado tiene pocos decimales por encima del criterio, por ejemplo, la revisión de una instalación existente. A continuación, un par de ejemplos sobre la consideración del uso de los criterios: A)

El Cuadro 12 muestra una comparación del efecto del criterio de P/100 ft sobre el diámetro de la línea y la potencia hidráulica de la bomba. El diámetro de 8” genera un P/100 ft por encima del criterio (2,31 psi); por tal motivo se evaluó una línea de 10”, este diámetro permite que se respete el criterio de P/100 ft (0,61 psi). Sin embargo, se está realizando un cambio de diámetro por una diferencia de 0,31 psi. El diámetro de 8” se puede mantener si se respetan los otros criterios. Adicionalmente, la potencia de la bomba es similar con ambos diámetros. Cuadro 12. Comparación del uso del criterio de P/100 ft. Diámetro nominal de la línea [in] Longitud de la línea [ft] (con margen de seguridad)

8

10 100

P(permitido) [psi/100 ft] P(calculado) [psi/100 ft]


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2 2,31

0,61

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Diámetro nominal de la línea [in] Potencia hidráulica de la bomba [hp]

8

10

128

127

Algunas Bases de Diseño solicitan sobre dimensionamiento de los equipos para futuras expansiones. En estos casos, los criterios de diseño respetan los valores a futuro; pero no es recomendado sobre diseñar una línea o equipo para una expansión, cuando el Cliente no dispone de información de la futura operación de las instalaciones. Resumen de las consideraciones para el uso de los criterios de diseño: A)

Consulte las especificaciones del Cliente para conocer sus criterios de diseño.

B)

Ante cualquier duda, consulte al Líder de Procesos.

C)

Sea cuidadoso con el uso de varios factores de seguridad al mismo tiempo. Ejemplos: los porcentajes adicionales en el flujo de las bombas, en la longitud de la línea y en la cantidad de los accesorios.

D)

Otras disciplinas pueden añadir también factores de seguridad. Ejemplo: la Disciplina de Procesos añade longitud adicional, Diseño Mecánico puede añadir un factor adicional para el peso de las líneas, Estimación de Costos puede añadir un factor adicional el costo de las líneas. Es importante que las partes involucradas en el diseño conozcan los factores de seguridad considerados por cada una.

E)

Los fabricantes añaden factores de seguridad, pero son desconocidos en la mayoría de los casos.

F)

Revise con “lupa” los resultados para la evaluación de una instalación existente o la revisión de la información de los fabricantes. Del análisis de los resultados se pueden generar: 

Solicitud de cambios de un equipo existente, el cual puede tener mayor tamaño, lo que implica una nueva fundación y un cambio en las líneas que se conectan con el equipo.



Solicitud de cambios en los diámetros de las líneas; si estas tienen un diámetro mayor, quizá no exista espacio para su instalación.


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Solicitud de cambios a losz fabricantes, lo que puede originar costos adicionales y retrasos en los tiempos de entrega.

Consideraciones pseudoplásticos.

adicionales

a

tener

en

cuenta

para

fluidos

Para el caso de los fluidos pseudoplásticos, es necesario evaluar los criterios y estudiar el sistema individualmente, ya que por las altas viscosidades pueden presentarse grandes pérdidas de presión (P/100 ft), que pueden no verse disminuidas al incrementar el diámetro de la línea, incluso teniendo bajas velocidades.(Ver sección 17)

13.

ELEMENTOS CON PÉRDIDA DE PRESIÓN Los principales elementos que generan P en un sistema son mostrados en el Cuadro 13. Las consideraciones para los equipos están en la Sección 15. Cuadro 13. Elementos con pérdida de presión. ΔP según

Elemento Líneas

---

Válvulas manuales

L/D

Válvulas de retención (check)

L/D

Cambios de dirección: codos y “T”

L/D L/D o ΔP definido

Filtros

K definido

Boquillas o conexiones a equipos

K calculado

Cambios de diámetro Elementos de medición de flujo

ΔP definido o calculado

Orificios de restricción


Válvulas de control


Válvulas de cierre y apertura

L/D

En las líneas existen accesorios que facilitan el manejo del fluido. Cada uno afecta de manera diferente el P. Las pérdidas por fricción pueden ser calculadas para los accesorios de las siguientes maneras:


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN A)

z Uso de la relación longitud-diámetro, L/D:

El P de un accesorio puede ser equivalente al ocasionado por una longitud determinada de línea del mismo diámetro. El Cuadro 13 indica cuales elementos son comúnmente considerados con valores de L/D. La Ec. 28, repetida a continuación, establece la relación entre la pérdida por fricción el L/D.

hL  f 

L v2  Din 2  g

Ec. 28

En INPLANT™ y PIPEPHASE™ el L/D es llamado “K multiplier”. B)

Uso del coeficiente de resistencia, K: Otra opción para obtener las pérdidas por fricción, es usando el coeficiente de resistencia (o de fricción). Los valores de K pueden ser obtenidos de la literatura (por ejemplo, las boquillas) o calculados (por ejemplo, los cambios de diámetro). La relación entre K y el L/D es:

L D

Ec. 34

v2 2 g

Ec. 35

Kf Por consiguiente: hL  K 

Los valores recomendados de L/D o K pueden ser conservadores en sistemas que requieren poca pérdida de presión. Si algún accesorio genera una pérdida de presión excesiva, los valores de L/D o K pueden ser ajustados en base a la información disponible en la literatura especializada (Sección 10.6). Considere que algunos valores de K pueden estar en función de Re. 13.1.

Líneas Las líneas, tuberías, cañerías, caños o ductos generan P por fricción o diferencia de altura. Las principales características de las líneas en cuanto al cálculo de P son:


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z Geometría y elementos de las líneas.



Diámetro interno y espesor de pared.



Rugosidad.



Propiedades térmicas.

13.1.1. Geometría y Elementos de las Líneas Las fuentes principales, para obtener la geometría (longitud, diferencia de altura) y los elementos de las líneas, son emitidas por la Disciplina de Diseño Mecánico o suministradas por el Cliente. El INEDON “Manual de Diseño Mecánico”, N° 903-P3060-T11-GUD-013, contiene la simbología usada en los planos y diagramas elaborados por la Disciplina de Diseño Mecánico. Sin embargo, la simbología puede cambiar según el requerimiento del Proyecto, al igual que la simbología de los DTI. A)

Plano de planta (plot plan) general (Figura 26): representa una vista desde arriba de las instalaciones. La escala del plano es indicada, generalmente, en el cajetín de revisión. Véase el Anexo 4 para información adicional de la estimación de longitud con el plano de planta. Las escalas del tipo “1:500” son relativas al formato de emisión del plano cuando es impreso. Si el formato de emisión A1, la escala 1:500 no es válida para otros tamaños (Figura 27). Revise siempre la escala del plano con una conocida, por ejemplo, el tamaño de un equipo, tanque o la distancia entre los pórticos del puente de las líneas.


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Figura 26. Sección de un plano de planta general. 5910 mm 14010 mm

Escala original 1:750  1 mm en el plano equivale a 750 mm en la realidad Figura 27. Distorsión de la escala debido al cambio del tamaño original. B)

Plano de planta detallado (Figura 28 a Figura 30): representa una vista desde arriba de las secciones de las instalaciones. En estos planos se pueden observar las líneas, los equipos, los instrumentos, etc. Las distancias de estos planos son escalables. Véase también el Anexo 6.


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Figura 29

Figura 28. Sección un plano de planta detallado. Boquillas

No. de línea Instrumento

Leyenda NOZ: boquilla CL: línea central EL: elevación N: coordenada norte E: coordenada este BOP: parte inferior de la línea (bottom of pipe) F/F: unión de las bridas (face to face)

Equipo

Figura 29. Aumento de la sección del plano de planta detallado.


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No. de línea BOP EL: elevación de la parte inferior de la línea (bottom of pipe)

Coordenada norte (N) y este (E) de los límites del plano Plano de continuación

Figura 30. Sección de un plano de planta detallado. C)

Isométricos (Figura 31 a Figura 34): representación de las líneas con perspectiva de isometría (30°/30°). A continuación, algunas recomendaciones: 1

Todos los elementos mostrados en un isométrico están numerados e identificados en la lista de materiales correspondiente (Figura 31).

2

Verifique la unidad de medición usada en los isométricos (Figura 32), indicada en alguna parte del diagrama, generalmente es milimétros o pulgadas.

3

No es requerido incluir la distancia (tamaño) de las válvulas a la longitud de la línea (Figura 32), lo contrario puede ser muy conservador en líneas de corta distancia con muchas válvulas. Ejemplo: las líneas de drenaje con doble bloqueo.

4

Algunos isométricos muestran las distancias desde el extremo de los codos u otros accesorios; use la distancia indicada (Figura 32), no es necesario calcular el tamaño del codo para substraerlo de la distancia.


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z La lista de materiales indica la longitud total de la línea mostrada en el isométrico (Figura 33), lo cual es una manera sencilla de conocer la longitud. Sin embargo, la longitud total también puede considerar los soportes hechos de secciones de línea. Verifique la existencia de esa clase de soportes en el isométrico y su relación con la longitud total.

Los isométricos no son una representación a escala. Una distancia medida sobre el dibujo puede indicar 200 mm y esa misma distancia puede indicar 20000 mm. No escale las distancias en los isométricos. Consulte el INEDON “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09GUD-013, establece lo siguiente para la estimación de las longitudes de las líneas: 

Las longitudes de las líneas estimadas con planos de planta generales (plot plan) o isométricos preliminares tienen un 120 % (× 1,2) adicional, para considerar la incertidumbre en la ruta real y la cantidad de los accesorios.



Las longitudes obtenidas de isométricos para diseño o construcción y los planos detallados de planta (los cuales muestran el recorrido de las líneas) no requieren porcentaje adicional.


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Lista de materiales

1

Información de la línea

Figura 31. Isométrico. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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3 2 4 ?

Figura 32. Distancias en los isométricos.

5

Figura 33. Sección de la lista de materiales con la longitud total de la línea mostrada en el isométrico.


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Instrumento Distancia, aquí en mm

Válvula de control

No. de línea

Conexión para instrumento

No. del ítem en la lista de materiales

Ítems 7 y 8: dos cambios de diámetro

Figura 34. Sección de un isométrico mostrando una estación de control. Véase el Anexo 5 para más información sobre los detalles en los isométricos. 13.1.2. Simplificación de la Geometría A)

Simplificación de la diferencia de altura La simplificación de la diferencia de altura es usada comúnmente para sistemas con líquido, el modelo es elaborado con la diferencia de altura entre el punto de partida y el de llegada, en la Figura 35: Z4 − Z1. Sin embargo, la simplificación es evitada en los siguientes casos: 

Sistemas con líquido: en los cuales el P este cerca de la presión de vapor.



Sistemas con flujo bifásico o multifásico: el cálculo de P es afectado por la orientación del flujo.


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h2

h3 h4 Simplificación de la diferencia de altura

h1

Figura 35. Simplificación de la diferencia de altura. B)

Agrupación de los accesorios La agrupación de los accesorios es otra práctica común de simplificación de la geometría, el modelo de P es elaborado fácilmente si los accesorios del mismo tipo son contabilizados en total, en vez de añadirlos uno a uno. Sin embargo, la agrupación de los accesorios es evitada en los siguientes casos: 

Sistemas de gas con mucha longitud y cantidad de accesorios: la compresibilidad del gas puede afectar significativamente el cálculo de P. Por ejemplo: 10 codos colocados al final de la línea, en vez de uno a uno en la correspondiente ubicación a lo largo de la línea.



Sistemas con flujo bifásico o multifásico: el cálculo de P es afectado por los accesorios. Los programas comerciales de simulación permiten colocar elemento por elemento sin dificultad, esta opción es obligatoria.

13.1.3. Diámetro Interno y Espesor de Pared El diámetro interno de la línea es requerido para calcular la velocidad del fluido y es definido por el espesor de pared (e, Figura 36) requerido según las condiciones de diseño y el diámetro externo, este último es generalmente un valor estándar de la industria.


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Rev.


Pared de la línea

e Din (ID)

Dex (OD)

A

Figura 36. Corte transversal de la línea. El espesor de pared se puede obtener de las siguientes fuentes: A)

Especificación de materiales de las líneas (piping class, piping specification): este es un documento suministrado por el Cliente o emitido por la Disciplina de Diseño Mecánico (Cuadro 14). El documento indica el diámetro disponible para las líneas y el No. de cédula según la clase de servicio, etc. La abreviatura CALC indica que el espesor tiene que ser calculado por la Disciplina de Diseño Mecánico. Cuadro 14. Ejemplo de una clase de línea. INELECTRA

PIPING MATERIAL SPECIFICATION

SERVICE: GENERAL PROCESS

TEMP. LIMITS: 400 °C / 750 °F

MATERIAL: CARBON STEEL

CORROSION ALLOWANCE: 0.050” / 1.27 MM

INE CODE

SHORT

NOTES

DESCRIPTION

SIZE

CLASS 1ACD 150#, RF

CONST. STD.

PIPE CPIPSC72

PIP

1/2” – 2”

PIPE, SCH XS, PE, CS, SMLS, A106-8

ANSI B 36.10

CPIPSF51

PIP

3” – 24”

PIPE, SCH STD, BE, CS, SMLS, API 5L-B

ANSI B 36.10

CPIPWF*1

PIP

30”

PIPE, SCH CALC, BE, CS, WELDED, API 5L-B

ANSI B 36.10

B)

Isométrico: la lista de materiales muestra el No. de cédula para los diámetros que aparecen en ese plano (Figura 37).

C)

Otras fuentes: algunos Proyectos proveen el NPS y espesor de las líneas de transporte de mucha longitud en los planos de perfiles topográficos. En este caso, consulte a la Disciplina de Diseño Mecánico.


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D)

Cálculo del espesor por parte de la Disciplina de Procesos (solo si no se dispone del apoyo de la Disciplina de Diseño Mecánico): el personal de Procesos puede usar el INEDON “Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberías”, N° 903-P3060-T05-GUD-X02, el cual tiene como base los códigos ASME mostrados en el Cuadro 15.

Figura 37. Sección de la lista de materiales del isométrico donde se muestra el No. de cédula. Cuadro 15. Códigos ASME para el cálculo del espesor de pared de las líneas. Entidad y No. de código (1)

Título

Aplicación Todo tipo de fluido dentro las instalaciones.

(2)

ASME B31.3

Process Piping

ASME B31.4

Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbon and Other Liquids

Transporte de líquido fuera de las instalaciones.

ASME B31.8

Gas Transmission and Distribution Systems

Transporte de gas fuera de las instalaciones.

Notas: (1) Los códigos están disponibles en el Sistema de Normas Internacionales de inelectra. (2) El Departamento de Diseño Mecánico dispone de una herramienta para cálculo de espesor según el ASME B31.3 en su página de intranet.

Cuando los espesores de pared son calculados por la Disciplina de Procesos, se indica en la documentación del Proyecto (por ejemplo, la memoria de cálculo), que el espesor definitivo es calculado en una etapa posterior del Proyecto por la Disciplina de Diseño Mecánico. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Los pasos para determinar el diámetro interno son los siguientes (Figura 38): 1

Establezca la clase de la línea mostrada en el No. de línea, según la especificación de cada Proyecto.

2

Busque en la especificación de materiales o en el isométrico el No. de cédula que aplica al diámetro.

3

Busque en el Anexo 2 o la literatura especializada [12], el diámetro correspondiente al NPS y el No. de Cédula. La sección de Hojas de Cálculo de la intranet del Departamento de Procesos tiene un archivo en Microsoft® Excel que permite seleccionar el diámegro nominal y el No. de cédula para reportar el diámetro interno, espesor de pared, etc.

El sistema de medición métrico usa la abreviatura DN (Nominal Diameter) en vez de NPS; el Cuadro 16 muestra las equivalencias Cuadro 16. Equivalencias entre NPS y DN [7] . NPS

DN

NPS

DN

NPS

DN

NPS

DN

1/8

6

2

50

10

250

26

650

1/4

8

2½

65

12

300

28

700

3/8

10

3

80

14

350

30

750

1/2

15

3½

90

16

400

32

800

3/4

20

4

100

18

450

34

850

1

25

5

125

20

500

36

900

1¼

32

6

150

22

550

38

950

1½

40

8

200

24

600

40

1000

El ASME B36.10M [7] contiene valores de NPS hasta 80 (DN 2000) y también los valores en el sistema de medición métrico.


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Diámetro y clase de la línea en el DTI.

1

3”-RV-60005-1ACD-N

2

Especificación de materiales con el No. de cédula

3

Diámetro interno según la literatura

Figura 38. Pasos para determinar el diámetro interno de la línea. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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13.1.4. Rugosidad Véase la Sección 11.4. 13.1.5. Propiedades Térmicas Las propiedades térmicas son una función del material de la línea y requeridas para los cálculos de transferencia de calor hacia/desde el medio circundante: aire, agua o suelo. La Sección 15.9 contiene el uso de los programas de simulación en cuanto a la transferencia de calor. El INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903-HM120-P09-GUD-067, contiene a) información sobre la transferencia de calor, especialmente en líneas de gran longitud; y b) una tabla con propiedades térmicas de los materiales más comunes. 13.1.6. Arreglos Típicos Las siguientes figuras muestran arreglos típicos con la cantidad y tipo de accesorios recomendados, si no hay información de la Disciplina de Diseño Mecánico. A)

Estaciones de Control desde/hacia el puente de tuberías: Accesorios aguas arriba y aguas debajo de la válvula de control: - Tres codos de 90°. - Una “T” de flujo recto. - Una válvula de bloqueo, el DTI muestra el tipo. - Una reducción (o expansión) con un NPS menor que la línea.

Puente de tuberías

Figura 39. Cantidad y tipo de accesorios en las estaciones de control. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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B)

Succión de las bombas: Accesorios: - Una boquilla de salida de equipo. - Dos codos de 90°. - Una “T” de flujo cruzado - Dos válvulas de bloqueo, el DTI muestra el tipo. - Un filtro. - Una reducción con un NPS menor que la línea.

Figura 40. Cantidad y tipo de accesorios en las succiones de bombas. 13.2.

Válvulas Manuales Las válvulas manuales sirven para bloquear (o cortar) y/o controlar el flujo. El Cuadro 17 muestra los tipos más comunes en la industria petrolera y petroquímica. El tipo de válvula que aplica para el cálculo de P se obtiene del DTI, consulte también el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, N° 903-HM120-P09-GUD-025. Las válvulas de desvío en las estaciones de control son dimensionadas según el INEDON “Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos”, N° 903-HM120-P09-GUD-014. Los programas de simulación tienen varios tipos de válvulas manuales disponibles; la Figura 41 muestra la ventana correspondiente en INPLANT™.

13.3.

Válvulas de Retención de Flujo Las válvulas de retención de flujo (check, Figura 42) evitan el flujo reverso en ubicaciones donde no es deseado; el ejemplo más común es la descarga de las bombas. El Cuadro 18 muestra los tipos más comunes en la industria petrolera y petroquímica; pero se puede observar que existe el mismo símbolo en el DTI para diferentes tipos de válvulas. En estos casos se puede consultar la especificación de materiales, aunque pueden existir diferentes tipos para un mismo diámetro de línea (Cuadro 19); las fuentes más apropiadas con el isométrico (Figura 43) o el personal de la Disciplina de Diseño Mecánico.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Cuadro 17. Tipos de válvulas manuales para bloqueo y control (C), L/D [12], símbolo en el DTI y ejemplos.

Tipo

L/D

DTI

Compuerta

8

Globo (C)

340

Bola o esférica

3

Mariposa (C)

45

Aguja (C)

340

Tapón

18

Diafragma (C)

340(1)

Ángulo (C)

55 a 350

Ejemplos

Nota: (1) El L/D de 340 es asumido de un válvula de globo.


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“K multiplier” es el L/D.

Figura 41. Válvulas manuales en INPLANT™.

Disco para evitar el flujo reverso

Sentido de flujo 

Figura 42. Interno de una válvula de retención de flujo [19].


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Rev.

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Cuadro 18. Tipos de válvulas de retención de flujo, L/D [12], símbolo en el DTI y ejemplos.

Tipo

L/D

Estándar

135

Con mecedor

100

Tipo wafer

45

Levantada

600

De tope

400

DTI

Ejemplos

Cuadro 19. Sección de una clase de línea donde se resalta los tipos de válvula de retención disponibles para diferentes diámetros de líneas. INELECTRA

PIPING MATERIAL SPECIFICATION

SERVICE: GENERAL PROCESS

TEMP. LIMITS: 400 °C / 750 °F

MATERIAL: CARBON STEEL

CORROSION ALLOWANCE: 0.050” / 1.27 MM

INE CODE

SHORT

NOTES

DESCRIPTION

SIZE

CLASS 1ACD 150#, RF

CONST. STD.

VALVES VCPFA3PA

CHS

1/2” – 2”

CHECK BALL,800#,SW, ASTM A 105 BODY…

VCMBA1PA

CHF

3” – 24”

CHECK SWING, 150#, RF, ASTM A216-WCB BODY…

VCOBA1QE

CHW

3” – 42”

CHECK WAFER, 150#, ASTM A 216-WCB BODY…


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Lista de materiales

Figura 43. Sección de un isométrico con una válvula de retención de flujo. Los programas de simulación tienen disponibles varios tipos de válvulas de retención flujo; la Figura 44 muestra la ventana correspondiente en INPLANT™, la cual contiene las válvulas manuales y las de retención, estás últimas solo generan pérdida de presión, pero no evitan el flujo reverso en la simulación.

Figura 44. Válvulas de retención de flujo en INPLANT™. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z INPLANT™ disponde de un elemento llamado check valve (Figura 45) para evitar reverso en un tramo (link). El coeficiente de descarga es usado para calcular el P.

Figura 45. Válvula de retención de flujo en INPLANT™. 13.4.

Cambios de Dirección Los cambios de dirección de flujo son los “codos” y las “T”. Las geometrías más usadas son mostradas en el Cuadro 20. Cuadro 20. Cambios de dirección de flujo, L/D [12] y esquemas Tipo

Esquema

L/D

D

Codo de 90°, radio largo R/D = 1,5

14 R D

Codo de 45°, radio largo R/D = 1,5

8 R

T de flujo recto


20

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Tipo

L/D

T de flujo cruzado

60

Esquema

Los codos de radio largo (R/D = 1,5) son los más usados en la industria para los accesorios soldados. Sin embargo, algunos programas también disponen de codos estándar con un L/D mayor, Figura 46 y Figura 47.

Figura 46. Ventana de selección de accesorios del programa “Cálculos Hidráulicos 2004” con los diferentes tipos de codos.


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Figura 47. Cambios de dirección tipo codo en INPLANT™. Los codos son los únicos accesorios que no se pueden determinar con el DTI, es indispensable conocer la ruta de la línea.

Figura 48. Cambios de dirección tipo “T” en INPLANT™. Los valores de L/D mostrados en el Cuadro 20 para las “T” son los disponibles en la mayoría de la literatura especializada; pero aplican para “T” de 90° y con 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z diámetros iguales en todos los extremos. El uso de esos valores de L/D puede ser conservador en sistemas de baja presión o baja pérdida de presión. La Figura 49 muestra un ejemplo con usos recomendados de las “T”:

1

La diferencia de diámetros entre la línea de 3/4” y la de 24” es significativa, no se requiere añadir una “T” en ningún de los dos sentidos.

2

La “T” no es necesaria cuando existe una toma de instrumento, las cuales son generalmente de 3/4”; en Proyectos con alta presión o fluidos viscosos pueden tener hasta 2”. En el caso que la toma y la línea sean del mismo diámetro, se recomienda considerar la “T” de flujo recto.

3

La diferencia de diámetros entre la línea de 8” y la de 24” sigue siendo significativa. Si se añade la “T”, verifique que no genere un P excesivo.

4

Añadir una “T” para una diferencia de diámetros de 16” y 24” es aceptable.

5

Solo en este punto se cumple la definición de “T”-estándar: todas las conexiones tienen el mismo diámetro. 1

2

24” 3/4” No requiere una “T”

3

PI

4

3/4”

5

“T”-estándar

24”

No requiere una “T”

16”

8”

24”

La consideración de La consideración de una “T” de 16” es una “T” de 8” es muy aceptable conservadora

Figura 49. Uso recomendado de los cambios de dirección tipo “T”. Existen sistemas de distribución (o ramificación de flujo) que requieren de muchas “T”. Las siguientes figuras muestran ejemplos de distribución de flujo hacia los enfriadores con aire, estos sistemas están ubicados en el tope (cima) de las columnas y requieren poca pérdida de presión. El uso correcto de las “T” de flujo recto y cruzado es revisado con cuidado para 1) no ser muy conservador con el P y 2) garantizar una buena distribución de flujo.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Figura 50: el arreglo tipo “Z” requiere menos codos y espacio que el arreglo simétrico, por tal motivo es más económico; pero los tramos necesitan un P equivalente para permitir una distribución de flujo equilibrada.

x

1

2

3

3

2

1

P equivalentes

Figura 50. Arreglo tipo “Z” para distribución de flujo hacia enfriadores con aire. Figura 51: el arreglo simétrico requiere más accesorios y espacio que el tipo “Z”, por consiguiente es menos preferido para construcción.

Figura 51. Arreglo simétrico para distribución de flujo hacia enfriadores con aire. Figura 52: la combinación de ambos arreglos es conveniente cuando se busca un balance entre buena distribución del flujo y costos de construcción. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Figura 52. Combinación del arreglo tipo “Z” y simétrico para distribución de flujo hacia enfriadores con aire. El párrafo y las figuras siguentes son para información unicamente. No es requerido llegar a ese nivel de detalle. Los diseños con los L/D de la literatura se han probado satisfactorios. Las siguientes figuras muestran la variación del K en función de: 1)

La relación del flujo del brazo (Ga) y del flujo total (Gz).

2)

La división (Figura 53) y adición de flujo (Figura 54); en este último caso, el valor de K es negativo cuando el flujo Ga es pequeño, lo que indica un efecto de vacío.

Las variaciones anteriores no son consideradas con el uso de valores de L/D disponibles en la literatura especializada.


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Figura 53. Coeficiente de resistencia K para “T” con división de flujo, adaptado de [18].


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Figura 54. Coeficiente de resistencia K para “T” con adición de flujo, adaptado de [18].

13.5.

Boquillas de Conexión a Equipos Las boquillas de conexión a los equipos representan un P debido al cambio de momento que experimenta el flujo cuando entra al equipo (sale de la línea) o sale del equipo (entra a la línea). Cuadro 21. Boquillas, K y esquemas Tipo

K

Boquilla de entrada al equipo

1

Boquilla de salida del equipo

1,5

Esquema

Si bien todos los equipos tienen boquillas, las mismas no son requeridas para el cálculo de P en ciertos equipos, los cuales consideran en su diseño el P generado por esos accesorios. El Cuadro 22 muestra las excepciones. Cuadro 22. Requerimiento de boquillas para los cálculos de P. Boquilla requerida

Equipo  Separadores.

Sí

 Columnas, torres, etc.  Tanques y esferas.  Otros equipos de separación y almacenamiento.  Bombas.

No

 Compresores, sopladores y expansores.  Intercambiadores de calor.  Mezcladores estáticos y dinámicos.


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Entrada a la línea = salida del equipo

Salida de la línea = entrada al equipo Figura 55. Boquillas en INPLANT™, los valores del coeficiente de resistencia son diferentes a los usados por el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”. 13.6.

Cambios de Diámetro Las reducciones y expansiones son cambios de diámetro que generan P por fricción y aceleración, este último debido al cambio de la velocidad del fluido.

Pd , D  Pf  Pv

Ec. 36

Donde las ecuaciones para el Pf y Pv son:

Pf    K  Pv 

 2 g


v22 2 g



Ec. 37

 v12  v22

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de



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Ec. 38

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z función de la relación de los diámetros  El coeficiente de resistencia K es una (= d1/d2) y el ángulo  (Figura 56).

A1



d1

d2

A2

Figura 56. Variables que afectan el coeficiente de resistencia K en los cambios de diámetro [12].

30°

 = 180°

4” x 2” Figura 57. Comparación entre un cambio de diámetro brusco vs. un accesorio estándar. Los programas de simulación tienen un valor de  = 180°, es decir un cambio brusco de diámetro (Figura 57). Esto es conservador y puede genener mucha pérdida de presión; por ejemplo, en la succión de las bombas, lo que disminuye el NPSHA. Verifique la lista de materiales, no confunda los siguientes símbolos usados en los isométricos con los cambios de diámetro:  brida (flange),

 junta (olets).

El ASME B16.9 [6] contiene las dimensiones estándar de lo cambios de diámetro (Figura 58), las cuales permiten calcular el ángulo real para realizar un cálculo de P más real.


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Figura 58. Sección del ASME B16.9 [6] con las dimensiones para los cambios de diámetro. El Cuadro 23 muestra una comparación del cálculo de K en función del diámetro. Una reducción DN 250 (NPS 10) × DN 50 (NPS 2) no es estándar (aunque aparezca en el DTI), así que Diseño Mecánico usa reducciones estándar: DN 250 (NPS 10) × DN 100 (NPS 4) + DN 100 (NPS 4) × DN 50 (NPS 2). La diferencia de K(10 × 2) = 300 vs. K(10 × 4 + 4 × 2) = 10,5 con ángulos calculados es significativa.

Cuadro 23. Comparación de los valores de K en función del ángulo (tamaños en NPS). Representación el DTI

Reducciones estándar

10” × 2”

10 x 4 + 4 x 2

 = 180°

K(10 × 2) = 300

 = 180°

K(10 × 4) = 16,4

 = 48°

K(10 × 4) = 8,6

K(4 × 2) = 6

 = 30°

K(4 × 2) = 1,9

K(total) = 22,4


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K(total) = 10,5

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z El aumento de diámetro en las expansiones origina que la velocidad de salida sea mayor que la de entrada, esto origina que el Pv sea negativo (Ec. 38). Si el valor absoluto del Pv es mayor que el Pf, el P de la expansión será negativo, lo que significa una ganancia de presión.

Ejemplo con una expansión de DN 150 (NPS 6) a DN 200 (NPS 8): 

v1 

q q 0,1m3 /s    5,7 m/s A 0,25    d 2 0,25    (0,15 m)2



v2 

q q 0,1m3 /s    3,2 m/s A 0,25    d 2 0,25    (0,2 m) 2



Pf    K 



Pv 



Pd , D  Pf  Pv  311 Pa   1115 Pa (1115 Pa)  804 Pa



v22 (3,2)2  999 kg/m3  0,602  311Pa 2 g 2  9,81m/s 2







 999 kg/m 3  v2 2  v12   3,2 m/s 2  5,7 m/s 2  1115 Pa 2 2 g 2  9,81 m/s

INPLANT™ y PIPEPHASE™ siempre consideran el Pcinético en las expansiones; pero el programa “Cálculos Hidráulicos 2004” excluye el factor cinético (Figura 60), por tal motivo el P de la expansión es conservador.

Ángulo por defecto es conservador Valor de K calculado


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Figura 59. Contracción de diámetro en INPLANT™.

Pcinético excluido para la expansión

Figura 60. Ventana de cambio de diámetro en “Cálculos Hidráulicos 2004”. 13.7.

Filtros Esta sección solo considera los filtros como un accesorio (por ejemplo, en las succiones de las bombas); pero no los filtros como equipos. El filtro es llamado strainer en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004” (Figura 46). El Cuadro 24 muestra los tipos más comunes. El L/D para los filtros cónicos, “T” e “Y” es de referencia, debido a que el P depende del elemento filtrante (por ejemplo, una malla); para los filtros tipo cesta se puede requerir un P calculado por el fabricante. Cuadro 24. Tipos de filtros, L/D, símbolo en el DTI y ejemplos. Tipo

L/D

Cónicoa

250

T

250


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DTI

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Ejemplos

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Tipo

L/D

DTI

Y

250

Cesta

Consultar

Filtrob, c + check de bisagra

75

Filtrob, c + check de salto

420

Ejemplos

Notas: a b

c

También llamado sombrero de bruja (Venezuela). Los filtros de pie son usados al comienzo de la succión de bombas superficiales que succionan desde una fosa, véase la Figura 125. Esta clase de filtro con válvula de retención integrada están disponible en la ventana de válvulas de INPLANT™ y PIPEPHASE™, véase la Figura 44: foot valve (poppet disc) y foot valve (hinged disc).

Si el filtro genera mucho P en la succión de un bomba, es recomendable solicitar uno con P máximo; para esto se emite una hoja de datos de ítems especiales con propiedades como flujo volumétrico actual, densidad, viscosidad, etc. El valor del P máximo es razonable, evite solicitar P de fracciones de psi (< 1 psi). Los programas comerciales no tienen filtros. Las recomendaciones son: A)

Coloque una “T” (u otro accesorio) y cambie el L/D a 250. No importa si es “T” de flujo recto o cruzado, el programa usa el L/D especificado (Specified K Multiplier).

B)

Coloque un intercambiador con un calor transferido (Heater Duty) = 0 y P definido (Fixed Pressure Drop), si conoce el valor que aplica al filtro.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 13.8.

z de Flujo Elementos Primarios para la Medición

Los principales tipos de elementos primarios para la medición de flujo son mostrados en el Cuadro 25. A)

Placas de orificio: el P es de 100” de agua (3,6 psi; 0,25 bar). Si la placa maneja líquidos en equilibrio (fondos de torres fraccionadoras, tambores de reflujo, etc.) se toma 20” (0,7 psi; 0,05 bar) de agua como P.

B)

Rotámetros, cuña, vórtice, venturi, turbina: el P es asumido igual que en las placas de orificio.

C)

Tubo pitot, medición de masa térmica, ultrasónico y magnético: el P es despreciable en esa clase de medidores de flujo.

D)

Coriolis: el P es consultado con la Disciplina de Automatización y Control. Si no hay apoyo de la Disciplina de Automatización y Control o del fabricante, use un P estimado de 3,6 psi (0,25 bar). Los valores de P son revisados luego que los medidores de flujo han sido especificados por la Disciplina de Automatización y Control. La Disciplina de Automatización y Control es consultada con respecto al P en medidores de flujos existentes.

Cuadro 25. Elementos primarios de medición de flujo, P, símbolo en el DTI y ejemplos.

Tipo

Placa de orificio

P [psi]

[bar]

3,6

0,25


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DTI

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Ejemplos

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Tipo

Rotámetro

P

z

[psi]

[bar]

3,6

0,25

Cuña

(3,6) (0,25)

Vórtice

(3,6) (0,25)

Venturi

(3,6) (0,25)

Turbina

(3,6) (0,25)

Tubo pitot

0

Masa térmica

0

DTI

Ejemplos

FI

FE THERM

Ultrasónico

N/A

Magnético

N/A


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M

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Tipo

Coriolis

P [psi]

z

DTI

[bar]

Consultar

Ejemplos

C

La Figura 61 muestra la ventana para colocar el ΔP del elemento del flujo en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”. En INPLANT™ se puede usar el elemento mostrado en la Figura 62, si se conoce la información requerida; si solo se conoce el ΔP, se puede usar un intercambiador de calor con calor transferido = 0 y ΔP definido por el usuario.

Figura 61. Elemento de flujo en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”. 13.9.

Orificio de Restricción Los orificios de restricción son parecidos a las placas de orificio para medición de flujo; la Disciplina de Procesos solicita un flujo y su correspondiente ΔP en una hoja de datos. Los usos típicos son:


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN A)

z Restricción del flujo de despresurización: se define un flujo máximo a través del orificio para unas condiciones aguas arriba. Generalmente, el flujo es estrangulado y se indica que hay flujo crítico.

B)

Restricción del flujo en las líneas de recirculación: se define un flujo a través del orificio y un ΔP calculado. Este es un esquema posible para la recirculación del flujo mínimo de las bombas. Consulte el INEDON “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013.

C)

Restricción del flujo en el caso de gas blow-by: se define un flujo máximo a través del orificio para unas condiciones aguas arriba. Generalmente, el flujo es estrangulado y se indica que hay flujo crítico. Consulte el INEDON “Guía para los Cálculos de Gas Blow-By”, N° 903-HM120-P09-GUD-049.

D)

Generar un ΔP requerido: se obtiene por medio de la restricción del flujo. Puede ser usado a la descarga de bombas con arranque automático o aguas abajo de las válvulas de control con problemas de cavitación; para este caso, consulte el INEDON “Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos”, N° 903-HM120P09-GUD-014.

La Figura 62 muestra un orificio de restricción en INPLANT™. El programa calcula el ΔP producido con un diámetro definido del orificio, etc.

Generalmente el espesor es delgado (thin) Equivalente al K

Figura 62. Orificio de restricción o placa de orificio en INPLANT™. 13.10.

Válvulas de Control Las válvulas de control son los elementos finales para el control de las variables de procesos como flujo, temperatura, presión, composición, etc. (Figura 63). El control es logrado por medio de la restricción del paso de flujo, lo


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z que origina un P a través de la válvula en función de una señal de la variable del proceso.

Control de flujo

Control de nivel

Control de flujo en cascada con la señal de temperatura

Control de flujo en cascada con la señal de nivel

Figura 63. Sección de un DFP con válvulas de control. El cálculo de P con una válvula de control puede ser requerido para: A)

La especificación de una nueva válvula de control, en este caso la Disciplina de Procesos determina el P requerido y elabora la hoja de datos. La Figura 64 muestra la ventana para la válvula de control en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”; el usuario puede colocar un ΔP fijo o permitir que el programa lo calcule cuando coloca un valor estimado. El cálculo de P es similar al descrito en el INEDON “Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos”, N° 903-HM120-P09-GUD-014.

B)

La revisión de una válvula existente, donde la Disciplina de Procesos solicita a la Disciplina de Automatización y Control o al fabricante el P que genera la válvula de control y lo añade al cálculo, Figura 65.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Si la Disciplina de Procesos tiene que calcular el P de la válvula de control existente, se usan las siguientes recomendaciones:

a)

Verifique que el CVMAX del modelo de la válvula no está restringido debido a internos especiales y limitaciones en la apertura (mecánicas o configuración en la sala de control).

b)

Use las ecuaciones adecuadas:

c)



Preferiblemente, consiga el programa de dimensionamiento del fabricante de la válvula a través de la Disciplina de Automatización y Control o por Internet.



El estándar ISA 75.01.01 [1] contiene las ecuaciones usadas en la industria.

Como regla general, el porcentaje de apertura está entre 20 % y 80 % para un control óptimo; si el resultado es menor o mayor, consulte a la Disciplina de Automatización y Control o al fabricante.

Las ecuaciones del INEDON “Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos”, N° 903HM120-P09-GUD-014, son una simplificación que es permitida para las válvulas manuales. No son usadas para la verificación de válvulas existentes. Las válvulas de control pueden ser del tipo globo, mariposa, etc.; pero su P no se calcula con los valores de L/D de las válvulas manuales. En algunos documentos, la unidad del CV es gpm/psi, pero no se utiliza como una regla de tres para obtener un P con otro valor de flujo. Ejemplo: CV = 15 gpm  1 psi 8 gpm  X psi


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Figura 64. Válvula de control en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”.

Fabricante, modelo, datos del modelo, curva característica de la válvula, CVMAX Flujo

Coeficiente de flujo

Propiedades del fluido

Porcentaje de apertura

P de la válvula Cálculo de pérdida de presión

Figura 65. Evaluación de una válvula existente.


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Válvulas de Apertura y Cierre

z

Las válvulas de apertura y cierre (on/off) son generalmente del tipo bola (esférica) y usadas en el sistema de parada de emergencia (emergency shutdown system) o de despresurización. El L/D de estas válvulas corresponde a las de tipo bola manuales (Sección 13.2), a excepción que el DTI indique otro tipo de válvula.

Válvula de abertura y cierre

Figura 66. Sección de un DTI con válvulas de abertura y cierre (on/off). 14.

PROGRAMAS DE APOYO AL DISEÑO El Departamento de Procesos dispone de experiencia con los programas comerciales para la simulación de modelos de pérdida de presión mostrados en el Cuadro 26 y Cuadro 27. Otros programas comerciales pueden ser usados según el requerimiento del Proyecto.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Cuadro 26. Información técnica de zlos programas de apoyo al diseño de uso general.

Información

Empresa

Cálculos Hidráulicos

INPLANT™

inelectra

PIPEPHASE™

VISUAL FLOW®

Invensys Systems, Inc.

Flujo monofásico









Flujo composicional









Flujo (bi-) multifásico









Sistemas de alivio de presión





()a



Transferencia de calor

isotérmico







Simulaciones en estado no estacionario





TACITE® b



Licencia todo usuario









Disponibilidad de licencia física o en red

---







Licencia solicitada por un Proyecto

---







Notas: a b

La simulación de sistemas de alivio de presión no es recomendada con PIPEPHASE™. Las simulaciones en estado no estacionario requieren del módulo de TACITE® del IFP (Institut Français du Petrole) con una licencia adicional, véase la Sección 15.21.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Cuadro 27. Información técnica de zlos programas de apoyo al diseño de uso especializado. SynerGEE Gas®

Pipeline Simulator®

OLGA®

SuperChems®

Stoner

Advantica

Scandpower PT A/S

IoMosaic Corp.

Flujo monofásico





()a



Flujo composicional









Información

Empresa

b

Flujo (bi-) multifásico














 b

Transferencia de calor









 b

 b

 b



Licencia todo usuario









Disponibilidad de licencia física o en red









Licencia solicitada por un Proyecto









Simulaciones en estado no estacionario



Notas: a b

El uso de sistemas monofásicos es una subutilización de este programa. Uso especializado.

Los programas con licencia física o en red disponen de servicio técnico por parte de las empresas fabricantes, este servicio está incluido en el costo de la licencia. El personal del Departamento de Procesos puede realizar consultas desde ¿por qué no corre una simulación? hasta información técnica sobre los modelos. Todos los programas comerciales disponen de ejemplos para los sistemas más comunes, los cuales pueden ser usados como base para otras simulaciones. Adjunte el archivo de la simulación en el correo electrónico, eso permite al grupo de soporte técnico revisar y comparar información. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Revise la simulación antes dez ser enviada, para asegurarse que la falta de convergencia u otro problema no son originados por datos erróneos suministrados por el usuario. Ejemplos: un diámetro muy pequeño en algún accesorio o sección de la línea, la falta de aislamiento en una línea de vapor de agua, mala definición de los grados de libertad, curva errada para el desempeño de las bombas o compresores. 15.

GUÍA PARA EL USO DE LOS PROGRAMAS DE SIMULACIÓN La información contenida en esta sección es considerada una “breve guía”; no es el objetivo de este INEDON abarcar todos los conocimientos necesarios para el uso de los programas de simulación. El usuario es exhortado a la revisión de los manuales de cada programa, consultar al personal con más experiencia y hacer uso del soporte técnico del fabricante del programa. Los ejemplos de esta sección están basados principalmente en el uso de INPLANT™ (versión 4.0) y PIPEPHASE™ (versión 9.1), por ser programas de amplio uso en el Departamento de Procesos. Algunas limitaciones mostradas en esta revisión del INEDON pueden desaparecer en futuras versiones de los programas. Verifique si la limitación aun existe. No es el objetivo de este INEDON demostrar que un programa de simulación es mejor que otro. La única manera de determinar la exactitud de los modelos matemáticos empleados en los programas, es por medio de la comparación de datos medidos en campo versus los resultados obtenidos de los programas.

15.1.

Tipo de Fluido A)

El Cliente o la Disciplina de Procesos define el programa de simulación en función de la capacidad de simular el tipo de fluido y el sistema: 

Líquido.



Gas.



Composicional, bifásico (gas-líquido, líquido-líquido) o multifásico (gas-líquido-líquido).



Redes.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN La Sección 14 muestra cuáles ztipos de fluido pueden ser simulados con cuáles programas. Si el programa dispone de varios tipos de fluidos, es conveniente usar el más apropiado (Figura 67 y Figura 68).

Figura 67. Ventana para selección del tipo de fluido en INPLANT™.

Figura 68. Ventana para selección del tipo de fluido en PIPEPHASE™. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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B)

El Cuadro 28 muestra ejemplos del requerimiento de simulaciones con fluidos composicionales, como se puede observar no es siempre indispensable esa clase de simulación. Las redes complejas convergen más rápido si el fluido es de una sola fase.

Cuadro 28. . Ejemplos del requerimiento o no de las simulaciones con fluidos composicionales. ¿Requerido?

No

Tipo de sistema Gas tratado sin riesgo de formación de líquidos. Agua con poca cantidad de otros compuestos Sistemas de vapor de agua y su condensado

Ejemplos Gas combustible, aire de instrumentos y de servicio (planta). Agua de desecho (efluentes), agua agria con fracciones molares pequeñas (por ejemplo, en ppm) de H2S, NH3, etc. Distribución de vapor de agua. Líneas de producción desde los pozos hasta las facilidades de recepción.

Sí

15.2.

Sistemas con flujo bifásico o multifásico

Líneas aguas bajo de válvulas de control con flujo bifásico.


Líneas aguas arriba o aguas abajo de los intercambiadores de calor con dos fases o más. Cuando existe el riesgo de formación de condensados.

Método Termodinámico A)

Las limitaciones de los métodos termodinámicos aplican a las simulaciones del proceso y también para los cálculos de P.

B)

Se recomienda usar el mismo sistema termodinámico y de propiedades que la simulación del proceso (PRO/II®, Aspen HYSYS®). Entre los programas de Invensys® los métodos termodinámicos son similares;


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z pero en Aspen HYSYS® pueden existir métodos no disponibles en INPLANT™ o PIPEPHASE™. En casos muy especiales, puede existir el requerimiento de adaptar los modelos de los programas de pérdida de presión a los programas de simulación del proceso; ejemplo: cuando se tienen que reproducir valores medidos en campo.

C)

15.3.

El usuario revisa que el contenido de las fases tiene un rango aceptable de diferencia entre la simulación del proceso y la de P para una presión, temperatura y composición definida. El rango máximo recomendado es  10 %, pero es ajustado caso por caso.

Componentes A)

Las propiedades de los componentes (Figura 69) son iguales o ajustadas a las usadas en la simulación del proceso.

B)

En el caso de componentes puros es conveniente no esperar que el contenido de las fases (gas, líquido, agua libre, etc.) sea igual entre la simulación del proceso y la de pérdida de presión. La transferencia de datos como presión, temperatura y composición, es afectada por los decimales usados en los diferentes programas. La Figura 70 muestra una curva de presión-temperatura para una mezcla de componentes puros, cualquier cambio en los decimales de la presión o la temperatura puede originar que el fluido sea solo gas o solo líquido.


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Figura 69. Ventana de las propiedades de los componentes en INPLANT™.

Curva de punto de burbuja

Curva de punto de rocío

Figura 70. Diagrama P-T para una mezcla de componentes puros. 15.4.

Viscosidad A)

La viscosidad es una de las propiedades más cuestionadas en los programas de simulación de proceso o de cálculo de P. Si es requerido, se pueden añadir puntos de temperatura y viscosidad para una fase líquida o ambas fases. La Figura 71 muestra la ventana de datos definidos por el usuario, en la cual se pueden introducir dos valores de viscosidad para sus correspondientes temperaturas, para el hidrocarburo, el agua o el líquido total (por ejemplo, una emulsión).


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Figura 71. Ventana de datos dezviscosidad definidor por el usuario en INPLANT™. El rango de viscosidad es ajustado al rango de temperatura del cálculo de P, Figura 72. El programa de simulación realiza una interpolación lineal, que puede estar lejos de la realidad si el rango es muy amplio, Figura 72.

Viscosidad

Rango suministrado por el usuario Valor interpolado

a)

Temperatura Figura 72. Interpolación en un rango adecuado de viscosidad y temperatura.

Viscosidad

Rango suministrado por el usuario Valor interpolado Valor real

Temperatura Figura 73. Interpolación en un rango muy amplio de viscosidad y temperatura. B)

La opción mostrada en la Figura 71 tiene las siguientes consideraciones en INPLANT™ o PIPEPHASE™: 

El Flash Report (Figura 74) muestra la viscosidad calculada por el método de propiedades, aun cuando el usuario haya definido un rango de viscosidad-temperatura.


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

El Viscosity Density Report (Figura 75) muestra la interpolación realizada por el programa según el rango de viscosidad-temperatura. Esa interpolación es usada en los cálculos de P y de transferencia de calor.

Figura 74. Flash Report en INPLANT™ con la viscosidad calculada con el método de propiedades que seleccionó el usuario, para la misma composición de la Figura 75.


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Figura 75. Viscosity Density Report en INPLANT™ con la viscosidad calculada según el rango de viscosidad-temperatura definido por el usuario, para la misma composición de la Figura 74. 15.5.

Método para el Cálculo de la Pérdida de Presión A)

B)

Los programas comerciales disponen de varios métodos para el cálculo de P. Los métodos tienen límites como: 

Sentido de flujo: horizontal, vertical, ascendente o descendente.



Cantidad de líquido: flujo volumétrico o fracción de líquido en la línea.

INPLANT™ y PIPEPHASE™ tienen por defecto los siguientes métodos de P en función del fluido: 

Líquido y gas: MOODY, cálculo del factor de fricción según el diagrama de Moody.



Vapor (steam) y composicional: BBM, correlación de Beggs y Brill con el factor de fricción de Moody. Esa correlación es adecuada para


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z cálculos de P con flujo bifásico en líneas dentro de las instalaciones de procesos, las cuales son relativamente cortas.

C)

Los cálculos de P para líneas de transporte con varios kilómetros de longitud y flujo bifásico o multifásico requieren de métodos mecanísticos. Consulte los INEDON “Uso de Modelos Mecanísticos para Cálculo de Caída de Presión”, N° 903-P3100-P09-TEC-058, y “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903-HM120-P09-GUD067.

D)

Los métodos mecanísticos como TACITE, OLGA3P requieren de licencias especiales para su uso en PIPEPHASE™.

Figura 76. Métodos de pérdida de presión disponibles en PIPEPHASE™. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Cuadro 29. Aplicación de las correlaciones de flujo multifásico en PIPEPHASE™ [16]. Correlaciones Beggs y Brill (1) Beggs y Brill – Moody Beggs y Brill - Sin Deslizamiento Beggs & Brill - Moody – (3) Eaton Beggs y Brill - Moody – (3) Dukler Beggs y Brill - Moody Hagedorn y Brown (2) Mukherjee y Brill (3) Mukherjee y Brill – Eaton Ansari Orkiszewski Duns y Ros Hagedorn y Brown Hagedorn y Brown – Beggs y Brill Aziz Gray (no composicional) Gray - Moody (no composicional) Angel - Welchon – Ros Eaton Eaton – Flanigan Dukler Dukler – Flanigan Lockhart y Martinelli Dukler – Eaton – Flanigan

Horizontal e inclinado < 10°

Inclinado Inclinado Ascendente Descendente 10° <  <70° 10° <  < 70°

Vertical Ascendente 90° y > 70°

Vertical Descendente 90° y > 70°

R R

R R

R R

R R

R R

X

X

X

X

R

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X X X X X

R X X X X X

R X X X X X

X X R R R R

X X X X X X

X

X

X

X

X

X X

X X

X X

R R

X X

X

X

X

R

X

X R R R R R R

X X R X R R R

X X R X R X R

X X X X X X X

R X X X X X X


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Correlaciones

(1)

(2) (3)

Horizontal e inclinado < 10°

z Inclinado Inclinado Ascendente Descendente 10° <  <70° 10° <  < 70°

Vertical Ascendente 90° y > 70°

Vertical Descendente 90° y > 70°

Notas: En general, este método es recomendado por que se desempeña razonablemente bien para un amplio intervalo de condiciones de flujo. Este método es recomendado para líneas con bajo holdup de líquido en terrenos con colinas. Este modelo híbrido no estándar y es usado solo si se adapta a data experimental. Leyenda: R Correlación recomendada por la aplicación. X Correlación permitida, pero no recomendada por la aplicación.

15.6.

Grados de Libertad Los cálculos de ΔP son realizados con ciertos grados de libertad; es decir, algunos valores son suministrados por el usuario y otros calculados por el programa en base a valores estimados por el usuario. El balance entre las variables fijas y las libres es cero, de lo contrario no se cumple el requisito de los grados de libertad. Generalmente, las variables que establecen los grados de libertad son la presión y el flujo másico. La Figura 77 muestra las combinaciones posibles para una línea. Una red sencilla es mostrada en la Figura 78, con una de las muchas combinaciones posibles.


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Flujo másico y presión Flujo másico y conocidos presión calculados 2 variables libres 2 variables fijas El programa calcula el ΔP y el flujo másico es igual en ambos extremos

Flujo másico y presión calculados 2 variables libres

Flujo másico y presión conocidos 2 variables fijas

El programa calcula el ΔP y el flujo másico es igual en ambos extremos

Presión conocida 1 variable fija Flujo calculado 1 variable libre


El programa calcula el flujo para obtener un ΔP

Figura 77. Grados de libertad en un sistema de una línea.


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Flujo conocido 1 variable fija Presión calculada 1 variable libre


Flujo conocido 1 variable fija Presión calculada 1 variable libre El programa calcula el ΔP por medio de una iteración hacia el punto de entrada. El flujo másico es sumado

Figura 78. Grados de libertad en una red sencilla. A continuación, algunos ejemplos aplicados a cálculos típicos de ΔP. La variable de flujo es conocida en el punto de partida y es una variable libre en el punto de llegada. A)

Diseño de bomba: Presiónde deoperación operación Presión conocida conocida

FE

ΔP fijo

Presión de succión calculada

Presión de descarga calculada

Figura 79. Grados de libertad un sistema de bombeo.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN B)

Diseño de válvula de control:

z

Presión de entrada calculada

Presión de salida calculada

PC

Presiónde deoperación operación Presión conocida conocida

Figura 80. Grados de libertad un sistema con válvula de control. C)

Diseño de válvula de alivio: Presión de salida conocida (1 atm) Presión de salida calculada

Presión de entrada (alivio) conocida KO Drum Presión calculada

Figura 81. Grados de libertad un sistema con válvula de alivio. 15.7.

Tolerancia en la Convergencia de Redes La convergencia de los programas de simulación es afectada por el valor especificado para la tolerancia de la diferencia entre los resultados de las iteraciones. En el caso de INPLANT™ y PIPEPHASE™ esa variable es llamada Pressure Tolerance, Figura 82.


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Figura 82. Ventana sobre los métodos de cálculo para redes en INPLANT™. Un ejemplo del efecto del cambio de la Pressure Tolerance es mostrado en la Figura 83 y Figura 84 para una simulación de red3. El valor de 0,01 psi necesita 16 iteraciones para lograr la convergencia; pero un valor de 1 psi requiere 3 iteraciones.

Figura 83. Convergencia después de 16 iteraciones con Pressure Tolerance = 0,01 psi.

3

Archivo de ejemplo de PIPEPHASE™: EX11_GAS-LIFT-MANIFOLD (modificado).


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Figura 84. Convergencia después de 3 iteraciones con Pressure Tolerance = 1 psi. La Figura 85 muestra un resumen de los resultados obtenidos en una simulación de INPLANT™ para calcular las contrapresiones. En la figura se puede observar que al aumentar la Pressure Tolerance también aumenta el valor de contrapresión, debido a que el margen de diferencia entre los resultados de las iteraciones es mayor. En este ejemplo, no es conveniente aumentar la Pressure Tolerance para reducir el tiempo de cálculo

PT = 0,01 psi  23,4 psig PT = 1 psi  24,6 psig PT = 5 psi  29 psig

P = 2 psig

PT = 0,01 psi  19,2 psig PT = 1 psi  19,8 psig PT = 5 psi  25,8 psig

PT = 0,01 psi  49,5 psig PT = 1 psi  50,1 psig PT = 5 psi  54 psig

PT = 0,01 psi  47,3 psig PT = 1 psi  47,9 psig PT = 5 psi  50,2 psig

Figura 85. Variaciones de la contra presión en función de la Pressure Tolerance (PT). 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Las diferentes variables requeridas para la convergencia de una simulación pueden ser ajustadas para obtener resultados más rápidos; pero también son menos exactos. El usuario de los programas busca un balance adecuado entre velocidad de cálculo y exactitud. No cambie el valor de Pressure Tolerance para forzar una convergencia del programa, sin considerar el P total del sistema. La excepción es cuando el soporte técnico del programa recomiende la modificación. 15.8.

Redes con Lazos A)

Las redes con lazos (loops) pueden ser difíciles de converger debido a que el programa de simulación tiene varias opciones para el sentido de flujo (Figura 86), el cual es afectado por el ΔP entre el punto de entrada y de salida.

¿?

¿? ¿? ¿?

¿?

Figura 86. Red de distribución de agua de enfriamiento en INPLANT™.


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La recomendación es indicarle zal programa que evite el flujo reverso para lograr una convergencia (Figura 87); pero esto puede significar que no exista flujo donde es requerido. El usuario tiene que evaluar la causa y el efecto de la falta de flujo en un tramo.

Figura 87. Ventana de datos de convergencia para redes en INPLANT™. 15.9.

Transferencia de Calor A)

Los cambios de temperatura de un fluido pueden ser originados por el efecto Joule-Thomson o la transferencia de calor hacia/desde el medio circundante. La pérdida o ganancia de temperatura de un fluido es importante en líneas largas, donde la formación de líquido es relevante o las líneas para distribución de medios de calentamiento (vapor de agua, aceite caliente) y de enfriamiento (líquido refrigerante). Los sistemas de agua de enfriamiento no llevan aislamiento térmico. La excepción puede ser en los países (o regiones de países) con temperaturas muy bajas en invierno, consulte las Bases de Diseño.

B)

Los programas comerciales de simulación permiten realizar cálculos de transferencia de calor detallados en función del medio circundante (Figura 88) con un modelo de capas concéntricas.

C)

El programa “Cálculos Hidráulico 2004” solo considera flujo isotérmico.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN D)

z El usuario del programa considera las capas que apliquen y el medio circundante (Cuadro 30). Las capas de pintura pueden ser ignoradas para el cálculo de transferencia de calor, debido que son muy delgadas.

Cuadro 30. Ejemplo de las posibles capas alrededor del fluido. Capa 1

Pared de la línea

Capa 2

Capa 3

Medio circundante

Aislamiento térmico

---

Aire


---


Protección mecánica para el aislamiento

---

Protección contra corrosión externa


Protección mecánica para el aislamiento

Agua

Suelo

Figura 88. Cálculos de transferencia de calor en INPLANT™. 15.9.1. Materiales de la Línea El método más común de cálculo de transferencia de calor es por medio de las capas concéntricas alrededor del fluido. La Figura 89 muestra las diferentes capas que pueden rodear al fluido, como mínimo siempre está la pared de la línea. La Figura 90 es la ventana en INPLANT™ para suministrar información 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z como espesor de pared, conductividad térmica del metal, espesor del recubrimiento contra corrosión externa (aplica para líneas enterradas) o del aislamiento térmico de las capas (layers), así como sus conductividades térmicas.

Aislamiento térmico (si existe)

· Q Tfluido

Recubrimiento contra corrosión externa (si existe)

Tmedio circundante

Pared de la línea Fluido

Figura 89. Transferencia de calor a través de los materiales de la línea.

Figura 90. Datos para los cálculos de transferencia de calor a través de los materiales de la línea en INPLANT™. Los programas comerciales de simulación tienen la conductividad térmica de acero al carbono comercial. El usuario coloca la conductividad del material que aplica. 15.9.2. Línea en Contacto con el Aire En una planta de procesos, la mayoría de las líneas son aéreas, es decir están en contacto con el aire. La Figura 91 muestra los datos requeridos para el aire 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z como medio circundante. La conductividad térmica, la viscosidad y la densidad varían muy poco para condiciones ambientales de presión y temperatura. Sin embargo, la velocidad del viento puede variar mucho de lugar en lugar. El usuario puede conocer el valor de la velocidad del viento en las Bases y Diseño del Proyecto.

Figura 91. Datos para los cálculos de transferencia de calor hacia el aire INPLANT™. Algunas Bases de Diseño muestran solo la velocidad del viento para diseño de las estructuras como el puente de tuberías y los edificios. En la mayoría de los casos, esa velocidad es muy alta y no es adecuada para los cálculos de transferencia de calor. La recomendación general es usar la misma velocidad del viento para el diseño de los enfriadores con aire (aircoolers), si las Bases de Diseño no indican explícitamente un valor de velocidad del viento para diseño de procesos. 15.9.3. Línea en Contacto con el Agua La Figura 92 muestra los datos requeridos para los cálculos de transferencia de calor cuando el agua es el medio circundante. Las propiedades térmicas del agua varían con la temperatura, la cual puede ser un resultado de la profundidad. La mayoría de la bibliografía especializada dispone de información para agua dulce y no considera el efecto del contenido de sal para las líneas submarinas. La información necesaria es solicitada al Cliente en función de contenido de sal y la profundidad de la línea. Consulte también el INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903HM120-P09-GUD-067.


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Figura 92. Datos para los cálculos de transferencia de calor hacia el agua INPLANT™. 15.9.4. Línea en Contacto con el Suelo A)

Los datos requeridos en la Figura 93, aplican para los cálculos en estado estacionario de líneas enterradas.

B)

La profundidad general de una línea enterrada es de 1 m medidos hasta el tope de la línea.

Figura 93. Datos para los cálculos de transferencia de calor hacia el suelo INPLANT™. C)

Si bien la literatura especializada contiene valores de conductividad térmica para varios tipos de suelo, esos son valores generales. La Unidad de Procesos obtiene el valor de conductividad que aplica al suelo donde se encuentra la línea, las principales fuentes de esa información son el


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Cliente (Bases y Criterios de z Diseño) y la Unidad de Ingeniería Civil (estudios del suelo). Si el Cliente no puede suministrar la conductividad del suelo, el valor obtenido de la literatura forma parte de las premisas de cálculo y se indica en las recomendaciones de la memoria de cálculo, que esas propiedades son obtenidas por medio de mediciones o análisis de laboratorio para etapas futuras del Proyecto. D)

La temperatura del suelo equivale a la temperatura ambiente (ambient temperature) en los programas de simulación para líneas enterradas (Figura 94). La temperatura del suelo varía con la profundidad; pero tiene poca variación comparada con la temperatura del aire a lo largo del día o del año. Ejemplos: en Venezuela se puede considerar una temperatura promedio anual de 25 °C en el suelo a 1 m de profundidad. En países con cambios de estación, la temperatura del suelo puede variar con un T = 5 °C, mientras que la temperatura del aire puede tener un T = 50 °C. Algunos Clientes usan el término “líneas de superficie” para las líneas aéreas y enterradas como diferencia con las líneas costa afuera.

Figura 94. Temperatura ambiente para líneas enterradas INPLANT™. 15.10.

Separadores A)

Los separadores pueden ser incorporados a la simulación cuando la separación de fases permite evaluar las líneas aguas abajo, esto evita la necesidad de usar un simulador de procesos para extraer la fase gaseosa o líquida y volver al simulador de pérdidas de presión.


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B)

La Figura 95 muestra los datos requeridos para el separador en INPLANT™. El producto removido es el fluido “eliminado” del sistema; el no removido, continua hacia las líneas aguas abajo.

Figura 95. Ventana e icono del separador en INPLANT™. C)

El fluido removido del separador puede ser reincorporado a la simulación a través del elemento Injection (Figura 96) por medio del número del separador y la fase.

Figura 96. Ventana e icono del elemento Injection en INPLANT™.


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Regulador

z

El elemento Regulador (Figura 97) permite definir una presión aguas abajo (back pressure o downstream pressure regulator), aguas arriba (upstream pressure regulator) o un flujo másico a través de el.

Figura 97. Ventana e icono del regulador en INPLANT™. El regulador puede ser usado como válvula de control cuando el sensor de presión está cerca de la válvula (Figura 98). Regulador de presión aguas abajo

Regulador de presión aguas arriba

Válvulas con sensor de presión integrado (auto-reguladora)

Válvulas con sensor de presión separado (auto-reguladora) PC

PC

Válvulas con sensor de presión externo (cercano a la válvula) y señal a través de la sala de control

Figura 98. Simbología de las válvulas de regulación de presión. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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15.12.

Elemento de Pérdida de Presión y Temperatura El elemento DPDT (Figura 99) permite definir una pérdida de presión (signo negativo) o una ganancia (signo positivo) y una pérdida o ganancia de temperatura en función del flujo. Es decir, el elemento DPDT se puede usar como bomba, compresor o intercambiador de calor. Si el flujo de la simulación está entre dos valores indicados por el usuario, el programa interpola. El elemento DPDT es útil cuando se selecciona vapor de agua (steam) como tipo de fluido; ni INPLANT™ ni PIPEPHASE™ permiten el uso de intercambiadores de calor para ese tipo de fluido.

Figura 99. Ventana e icono del elemento DPDT en INPLANT™. 15.13.

Bombas A)

Las bombas (Figura 100 y Figura 101) pueden ser incorporadas a la simulación para establecer la diferencia de altura de bombeo (H) requerida y la potencia hidráulica o de consumo (al freno). Esta última variable depende el programa de simulación y la disponibilidad del valor de la eficiencia.

B)

Los programas de simulación permiten incluir la curva de eficiencia de una bomba, lo cual es útil para las bombas existentes, esto evita usar la curva


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C)

D)

para obtener el H cada vez zque hay un cambio de flujo o presión de succión. INPLANT™ permite colocar la presión de descarga o una potencia para calcular la presión de descarga. El programa “Cálculos Hidráulicos 2004” permite colocar un valor estimado de H y calcula la presión de descarga en función de la presión definida al final del tramo. La eficiencia adiabática corresponde a la usada en la simulación del proceso o las Bases de Diseño del Proyecto. Los programas comerciales no calculan el NPSHA ni la máxima presión de descarga (shutoff pressure). Estos valores son calculados por el usuario.

15.14.

Compresores Las opciones para los compresores son similares a las bombas; pero la eficiencia es importante porque afecta la temperatura de descarga y las propiedades del fluido. La Figura 102 muestra la ventana del compresor en INPLANT™. Al igual que las bombas, el compresor puede ser provisto con una curva de desempeño para evaluar un equipo existente.

Figura 100. Ventana e icono de la bomba en INPLANT™. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Figura 101. Especificación de una bomba en el programa “Cálculos Hidráulicos 2004”.

Figura 102. Ventana e icono del compresor en INPLANT™. El programa “Cálculos Hidráulicos 2004” no permite la especificación de compresores. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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15.15.

Intercambiadores de Calor Los intercambiadores de calor en los programas de simulación de pérdida de presión son básicos, solo permiten colocar la temperatura de salida o el calor transferido y el P (Figura 103). Los intercambiadores rigurosos no son posibles. Los intercambiadores de calor son también usados para simular equipos o elementos que generan pérdida de presión y no están disponibles en los programas. Ejemplos: filtros, mezcladores, válvulas de control y elementos de medición de flujo con P conocido.

Figura 103. Ventanas e iconos del calentador y enfriador en INPLANT™. 15.16.

Criterio de Pérdida de Presión por Unidad de Distancia Los programas comerciales no calculan el P por unidad de distancia (por ejemplo, P/100 ft). El usuario realiza el cálculo por separado. Ejemplo: el Velocity Report (Figura 104), en el cual se muestra el P para cada elemento de línea (PIPE), el usuario suma todas las longitudes y todas las P, y realiza una regla de tres.


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 PPIPE   LPIPE ¿PPIPE?  100 ft

Figura 104. Velocity Summary en INPLANT™. 15.17.

Cambios de Elevación A)

El convenio generalizado para definir los cambios de elevación son: a) Flujo ascendente: sin signo (positivo) para indicar una pérdida de presión. b) Flujo descendente: signo negativo para indicar una ganancia de presión. La Figura 105 muestra un ejemplo en INPLANT™. El convenio descrito anteriormente puede cambiar en otro programa de simulación. Consulte el manual del usuario.


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Figura 105. Definición del cambio de elevación en INPLANT™. B)

El programa “Cálculos Hidráulicos 2004” solicita que el usuario seleccione el tipo de flujo (Figura 106).

Figura 106. Definición del cambio de elevación “Cálculos Hidráulicos 2004”. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN C)

VisualFlow® no requiere que z el usuario defina el sentido de flujo de manera explícita (Figura 107). El programa determina los cambios de elevación según la ruta de la línea (Figura 108).

Figura 107. Ventana de datos de la línea en Visual Flow®.

Flujo descendente: cambio de elevación positivo

Flujo ascendente: cambio de elevación negativo

Figura 108. Determinación de los cambios de elevación en Visual Flow®. 15.18.

Representación de la Geometría de las Líneas Los programas comerciales de simulación permiten representar la geometría de la línea elemento por elemento (Figura 109), lo cual es obligatorio porque permite una revisión fácil, en vez de agrupar elementos (Figura 110).


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Figura 109. Elementos de una línea en INPLANT™. Cantidad de elementos del mismo tipo

Figura 110. Sección de la ventana de codo INPLANT™. 15.19.

Deshabilitar Secciones y Elementos en el Modelo INPLANT™ y PIPEPHASE™ permiten deshabilitar tramos (links), fuentes (sources), llegadas (sinks), uniones (junctions) y elementos del tramo (devices). En un sistema de red, la posibilidad de deshabilitar secciones es conveniente cuando es requerido un cálculo o evaluación parcial de la red. Las opción de deshabilitar secciones del modelo es utilizada frecuentemente en redes de alivio para determinar los valores de contrapresión construida o


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Consulte el INEDON “Guía de Diseño superimpuesta variable (Figura 113). para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903-HM120-P09-GUD-041, para más información sobre los conceptos de contrapresión en válvulas de alivio.

La Figura 111 muestra la opción de deshabilitar un punto de llegada, la Figura 112 muestra cómo deshabilitar un elemento de un tramo. A continuación, algunas recomendaciones cuando se deshabilitan secciones del modelo: 

Deshabilitar una fuente o un punto de llegada, puede requerir que también se deshabilite el tramo conectado y las uniones. Ejemplo: si deshabilita una fuente, pero no su tramo de salida, la simulación no convergerá.



No deshabilite una fuente usada como referencia en otras fuentes.



El balance de los grados de libertad es respetado, se puede requerir una nueva definición.



Las opciones de dimensionamiento de válvulas de alivio de presión y de tramos no puede ser aplicada a fuentes o tramos deshabilitados.

Opción de deshabilitar el punto de llegada (sink)

Figura 111. Punto de llegada (sink) en INPLANT™.


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Opción de deshabilitar un elemento (device)

Figura 112. Elemento de la línea en INPLANT™.

Secciones deshabilitadas

Figura 113. Red de alivio de presión en INPLANT™ con secciones deshabilitadas. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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z Programas Transferencia de Información entre los

Los programas de Invensys®, especialmente PRO/II® y PIPEPHASE™, permiten la transferencia de datos, esto evita tener que pasar “a mano” la información. Véanse los respectivos manuales del usuario para más detalles. 15.21.

Requerimiento de Licencias Adicionales PIPEPHASE™ tiene métodos para cálculos de P que requieren licencias adicionales: 

TACITE – TACITE steady state.



OLGA – OLGAS v.1.1, 2 Phase.



OL2P – OLGAS 2000, 2 Phase.



OL3P – OLGAS 2000, 2 Phase.

La solicitud de las licencias es aprobada por el Proyecto. El uso de TACITE requiere que el módulo haya sido instalado, esto puede ser verificado en la barra de la ventana de PIPEPHASE™ (Figura 114). Si TACITE no está disponible; use el SAI (Solicitud de Atención inelectra), disponible en el correo electrónico o por la ineweb, para solicitar la instalación por parte del grupo de Informática de su centro de ejecución.

Indicación que el modulo de TACITE está instalado

Indicación que el modulo de TACITE no está instalado

Figura 114. Barra de la ventana de PIPEPHASE™. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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16.

SIMULACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO La teoría de las simulaciones en estado no estacionario (simulaciones dinámicas) es compleja, por tal motivo esta sección solo describe las evaluaciones realizadas con ese tipo de simulación. A)

B)

Evaluaciones en los Sistemas de Gas: 

Efecto de los cambios de flujo en los puntos suministro y de consumo.



Efecto del sistema de parada de emergencia y despresurización.



Efecto de la parada y arranque de las estaciones de compresión.



Análisis del empaque de las líneas: tiempo de reserva de gas en la línea en función del tiempo después de una parada de la estación de compresión.



Detección de fugas con simulaciones en tiempo real.

Evaluaciones en los Sistemas de Líquido: 

Efecto de los cambios de flujo en los puntos suministro y de consumo.



Efecto del sistema de parada de emergencia.



Efecto de la parada y arranque de las estaciones de bombeo.



Detección de fugas con simulaciones en tiempo real.



Transporte de diferentes fluidos por baches en los poliductos (Figura 115).



Golpe de ariete. Consulte el INEDON “Guía de Diseño para Golpe de Ariete”. N° 903-P3060-T11-GUD-056, para más información sobre ese fenómeno. Un requerimiento originado del análisis de golpe de ariete puede ser el tiempo de cierre de las válvulas de cierre y apertura (on/off). El análisis es realizado por la Disciplina de Diseño Mecánico y el tiempo de cierre requerido informado a la Disciplina de Automatización y Control o es colocado en la hoja de datos de la válvula por la Disciplina de Procesos.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z 600,0

250,0

480,0

Presión [psig]

360,0

150,0

Presión

240,0

100,0

120,0

50,0

4000

0,000 0,000

70,00

140,0

Flujo [miles de BPD]

200,0

Flujo volumétrico estándar

6000 210,0

280,0

310,0

Distancia [km] DDB

MEREY

DDB

MEREY

DDB

Figura 115. Gradiente de presión en función de la distancia con distintos crudos pesados diluidos (colores: azul para DDB y rojo para MEREY) en un poliducto [9]. Adaptación de del resultado del programa de simulación: Stoner Pipeline Simulator™ de Advantica. C)

Evaluaciones en los Sistemas con Flujo Multifásico: 

Efecto de la acumulación de líquido sobre variables como presión (Figura 116), temperatura, etc.



Efectos del flujo: parada, nuevo arranque, cambios en los flujos de producción, etc.



Consulte el INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Transporte con Flujo Multifásico”, N° 903-HM120-P09-GUD-067, para más información, gráficos, videos, etc.


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Presión

z

0

2000

4000

6000

Tiempo [s]

Figura 116. Cambio de presión en función del tiempo para un sistema con flujo multifásico. Programa de simulación: OLGA® de Scandpower Petroleum Technology AS. 17.

CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE PRESIÓN PARA FLUIDOS PSEUDOPLASTICOS Determinar el tamaño de una línea para un fluido no Newtoniano en flujo laminar requiere de un análisis adicional al de un fluido Newtoniano. Como se mencionó previamente, para el caso de un fluido pseudoplástico, la viscosidad del fluido depende no sólo de la temperatura sino de la rata de velocidad en la tubería. Esto quiere decir que para un diámetro de tubería establecido y una temperatura constante, la viscosidad del fluido varía con el flujo que pasa a través de dicha línea. De acuerdo a lo anterior, para realizar el dimensionamiento de líneas que transportan fluidos pseudoplásticos, es necesario calcular las pérdidas de presión para el caso de flujo mínimo y máximo de operación a fin de asegurar que la viscosidad y velocidad del fluido para el diámetro seleccionado satisfagan los requerimientos de salida del sistema. A continuación se presenta un método para el dimensionamiento de líneas asociadas a fluidos pseudoplásticos, a partir de la obtención de valores de


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN viscosidad aparente (término que se zutiliza para hablar de viscosidad de fluidos no newtonianos). 17.1.

Información Requerida Existen varios métodos sugeridos para el dimensionamiento de líneas que manejan fluidos no newtonianos, la mayoría de ellos basados en la obtención de coeficientes experimentales de fricción. En caso de disponer de estos resultados experimentales, la evaluación hidráulica del sistema, se realiza considerando dichos datos. Sin embargo, dado la poca frecuencia con que se cuenta con esta información, resulta necesario realizar una prueba reológica de relativa sencillez que determina la viscosidad aparente a diferentes velocidades de corte. (ver Cuadro 1) Esta información debe ser suministrada por el cliente como parte de la caracterización del fluido pseudoplástico a ser manejado, con el fin de poder realizar el estudio hidráulico correspondiente.

Cuadro 31. Viscosidad vs rata de corte (Ejemplo de información requerida) Rata de corte (S-1) 10 50 70 100

17.2.

Viscosidad cP T1 -

Viscosidad cP T2 -

Viscosidad cP T3 -

Método de Cálculo

A partir de los datos experimentales obtenidos de un rotámetro de extrusión que grafican w = DP / 4L vs 8V/D, puede obtenerse un gráfico de  vs dv/dr, conocido como reograma. Para un fluido newtoniano el gráfico obtenido experimentalmente equivale al reograma, más no así para un fluido pseudoplástico para el que la relación 8V/D no representa la velocidad de corte, y los datos experimentales obtenidos deben transformarse para su correcta interpretación. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Para fluidos newtonianos: Ec. 39

Para fluidos no newtonianos

Ec. 40

Para dimensionar una línea que maneja flujo laminar de un fluido no newtoniano, se requiere de la elaboración de un gráfico logarítmico (log-log) de esfuerzo cortante vs rata de corte además de verificar que el esfuerzo cortante a cualquier velocidad de corte del fluido sea independiente del tiempo. Dicha gráfica puede construirse a partir de la información recibida como parte de la caracterización del fluido pseudoplástico (dv/dr vs , teniendo en cuenta que la viscosidad es la relación entre esfuerzo y velocidad de corte. Multiplicando dv/dr por la viscosidad, se obtienen los valores de esfuerzo cortante, requeridos para la construcción de la gráfica En la

Figura 117 se muestra un ejemplo de dicha gráfica, para tres diferentes temperaturas.


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T1

D P/ 4 L

T2 T3

32 Q/ P D3

Figura 117 Gráfico Esfuerzo cortante - vs dv/dr

Una vez obtenida la gráfica, se procede a determinar la viscosidad aparente a una temperatura, diámetro y caudal determinados de acuerdo con las siguientes relaciones:

La rata de corte (Ec. 47), puede expresarse en términos de velocidad para un caudal y diámetro determinados a temperatura constante: Ec. 41

Donde: v=velocidad del fluido en la línea (m/s) D=diámetro de la línea (m) Q = Caudal (m3/s) 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Este valor se calcula para un Q, y D determinados, obteniendo el punto de ingreso en el eje x del gráfico obtenido. Para una temperatura dada, se tiene una curva específica, que permite leer en el eje y, el valor de DP/4L, o esfuerzo cortante. El Esfuerzo cortante (Ec. 42), en la pared de una tubería, leído en la gráfica, es definido por la siguiente ecuación que aplica tanto para fluidos newtonianos como no newtonianos: Ec. 42

Donde: D=Diámetro de la línea (m) L=Longitud de la línea, (m) P= pérdidas de presión por fricción en el sistema

La relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte, entonces, se puede representar por la Ec. 43

Ec. 43

Entendiendo que la función que relaciona dichas variables es la viscosidad, se obtiene la ecuación de Pouseiulle (Ec. 44), Ec. 44


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Dado que ya se tienen los dos valores numéricos correspondientes a esfuerzo y rata de corte, puede obtenerse un valor de viscosidad aparente para un diámetro, caudal y temperatura determinados.

Una vez calculada la viscosidad para una velocidad de corte y temperatura dadas, las ecuaciones hidráulicas correspondientes a fluidos newtonianos pueden ser utilizadas normalmente, teniendo en cuenta que debe volver a calcularse el valor de viscosidad en caso de presentarse una variación ya sea en el diámetro de la línea, o en el caudal y temperatura del fluido manejado. El programa del departamento "Cálculos hidráulicos", así como otras herramientas de cálculo de pérdidas de presión, puede ser utilizado, teniendo especial cuidado en ingresar el valor de viscosidad calculado para cada tramo. La Figura 118 muestra la variación de viscosidad con el diámetro de tubería para un mismo flujo. A mayor diámetro, la viscosidad se incrementa debido a la disminución de esfuerzo cortante.

Figura 118 Variación de la viscosidad con el diámetro de la tubería para diferentes temperaturas y caudal constante


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z incrementar la temperatura, se presenta Igualmente, se puede observar que al una disminución de viscosidad, tal como ocurre para los fluidos Newtonianos. En la Figura 119, se observa la variación de la viscosidad con la temperatura, para un mismo caudal y diferentes diámetros de tubería. La menor viscosidad se presenta para el menor diámetro y mayor temperatura.

Viscosidad vs temperatura

Figura 119 Variación de la viscosidad con la temperatura para diferentes diámetros y caudal constante En la sección 12, (ejemplo A sobre criterios de diseño), se evalúa la optimización del diámetro de una línea dada que maneja fluidos Newtonianos, de acuerdo con su P/100 ft. Al incrementar el diámetro de 8” a 10”, las pérdidas por fricción se reducen, de 2.31 a 0.61 disminuyendo levemente la potencia de la bomba. En el caso de los fluidos pseudoplásticos, al incrementar el diámetro se reduce el caudal que pasa por la línea, pero por otro lado, se ve incrementada la viscosidad del fluido. Esto quiere decir que si consideráramos el mismo ejemplo evaluado con fluidos Newtonianos, al incrementar el diámetro de la línea de 8” 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z permanecer iguales, disminuir, o incluso a 10”, las pérdidas por fricción pueden aumentar, según la zona de la curva de esfuerzo cortante vs velocidad de corte en la que se encuentre el caso de estudio.

En la Figura 120 se presenta una comparación de las pérdidas de presión por fricción a diferentes diámetros de línea para un fluido newtoniano y un crudo pesado pseudoplástico a diferentes valores de caudal. Las líneas punteadas corresponden a los fluidos Newtonianos, que presentan una brusca disminución de pérdida de presión al incrementar el diámetro, efecto que se observa más marcado según el caudal aumenta (Q1, Q2). Los fluidos pseudoplásticos, representados por líneas continuas, muestran un valor casi constante de pérdida de presión para los diámetros evaluados; incluso se observa que para caudales altos (q1, q2), puede presentarse un leve incremento en P, al aumentar el diámetro. Esto quiere decir, que para un mismo sistema, un proceso que maneja un fluido newtoniano puede obtener una disminución en las pérdidas de presión a lo largo de la tubería por medio de un incremento de diámetro, y de este modo alcanzar unas condiciones requeridas a la salida, mientras que para un fluido pseudoplástico, el diseño debe evaluarse de un modo diferente. En caso de tener limitaciones de P, incrementar el diámetro no necesariamente resulta en la disminución de las pérdidas, y puede ser necesario reducir al máximo la cantidad de accesorios y la distancia de la línea. La selección del diámetro de línea apropiado para un fluido pseudoplástico, implica un proceso de evaluación adecuado que garantice que se equilibren las pérdidas por caudal y las pérdidas por viscosidad, para generar una caída de presión mínima en el sistema. Es de suma importancia estudiar cada sistema individualmente, y tener especial cuidado en no extrapolar datos más allá de los valores experimentales recibidos, pues como puede observarse en las curvas, existen puntos críticos en los que el comportamiento del fluido puede cambiar.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Pérdida de presión vs Diámetro de línea

Q1

P

Q2

No Newtonianos q4 q3 Q3 Q4

q1

q2

Diámetro

Figura 120. Pérdidas de presión por fricción vs diámetro de línea para fluidos Newtonianos y pseudoplásticos. Pérdida de presión vs Caudal

6"

P

6" 8" 8" 12" 12" Caudal

Figura 121.Pérdidas de presión vs Caudal para diferentes diámetros de línea.


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Una vez elegido el diámetro óptimoz para el flujo máximo de diseño, deben estudiarse los flujos de operación y flujos mínimos. En la Figura 121 se muestra la variación de las pérdidas de presión por fricción vs caudal para diferentes diámetros de tubería. Las líneas inferiores de la gráfica reproducen el comportamiento de los fluidos Newtonianos, que para un diámetro constante, ven incrementadas las pérdidas por fricción al incrementar el caudal que pasa por la línea. Para los fluidos pseudoplásticos (líneas superiores), por el contrario, al incrementar el caudal, las pérdidas disminuyen, lo que hace prestar especial atención al caso de flujo mínimo del sistema, para el que las pérdidas son máximas. Es responsabilidad del ingeniero de proceso evaluar el diseño hidráulico de este tipo de fluidos, para definir desde una etapa temprana del desarrollo de un proyecto, las distancias máximas de tubería requeridas por un sistema, las alturas máximas de equipos, u otras consideraciones que garanticen que, en conjunto con la disciplina de diseño mecánico (tuberías), se optimice el funcionamiento del sistema. 18.

ESQUEMAS TÍPICOS Y SUS CONSIDERACIONES Los siguientes esquemas pertenecen a sistemas típicos para cálculos de P. La información se limita a las consideraciones más importantes al momento de conseguir la información requerida, elaborar el modelo y analizar los resultados.

18.1.

Transporte a Tanques de Almacenamiento 1

Consulte con la Disciplina de Diseño Mecánico o de Ingeniería Civil, si existen diferentes elevaciones en la instalación (Figura 122). En algunos casos las diferencias de elevación tienen varios metros.

2

Use el máximo nivel de líquido en el tanque (o separador) al final de la línea (Figura 122); consulte la hoja de datos del tanque o el DTI. Esto garantiza que el sistema pueda vencer la máxima presión estática de líquido.

3

Si la diferencia de elevación es descendente y la presión estática (con la mínima diferencia de altura) son mayores que las pérdidas por fricción, la bomba quizá no es necesaria (Figura 123).


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HHLL 2 2

Patio de tanques 1

Área de procesos

1

Figura 122. Esquema 1 de un sistema de transporte a un tanque de almacenamiento.

3 Área de procesos

HHLL

Patio de tanques

Figura 123. Esquema 2 de un sistema de transporte a un tanque de almacenamiento. 18.2.

Bombas en Serie Las bombas en serie son usadas para aumentar la capacidad de bombeo en el sistema. El ejemplo típico es el uso de una bomba llamada booster (Figura 124). 1

La segunda bomba usa la presión de descarga de la bomba booster menos el P en la línea.


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2

En una readecuación (revamp), considere el aumento en la presión de descarga de la bomba booster, esto puede afectar la presión de diseño de la 2da bomba y sus sellos.

1 2

2da. bomba Bomba booster

Figura 124. Esquema con bomba booster.

18.3.

Succión de Líquidos desde Fosas o Pozos A)

Bombas en la superficie: 1

La diferencia de altura es positiva desde el mínimo nivel de líquido hasta la succión de la bomba (Figura 125). Esa diferencia es en contra del NPSHA.

2

Como criterio general, todas las líneas de succión de las bombas de fosas tienen al comienzo un filtro con válvula de retención integrada (Figura 125). Consulte con la Disciplina de Diseño de Mecánico el tipo de filtro para conocer el L/D o K, véase la Sección 13.7.

3

Las dimensiones de la fosa (Figura 125) son consultadas con la Unidad de de Ingeniería Civil.

1 3 LLLL

2

Figura 125. Esquema de succión desde una fosa con una bomba de superficie.


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Bombas sumergidas:

z

1

La Disciplina de Procesos define el mínimo nivel de líquido (Figura 126) para obtener un NPSHA de mínimo de 2 ft (0,6 m).

2

Las bombas sumergidas no tienen cálculo de P en la línea de succión, porque no existe (Figura 126).

3

La especificación de la presión de descarga (Figura 126) puede ser a) a nivel de superficie, esta opción es recomendada cuando no se conocen las dimensiones de la fosa; b) en la brida de carga. Consulte con el Líder de Disciplina.

4

Para las bombas verticales con succión sumergida (Figura 126), la presión de descarga es especificada a nivel de superficie, el esquema de la hoja de datos incluye la altura de la fosa (consultada con la Disciplina de Ing. Civil). La línea de descarga, desde el cuerpo hasta la superficie, es alcance del fabricante y puede tener un diámetro diferente al calculado para la línea de descarga. 3a 4

a)

b)

LLLL

LLLL

3b

1

1 2

2

Figura 126. Esquemas de succión desde una fosa con una bomba a) sumergida y b) vertical de succión sumergida. 18.4.

Arranque en Frío Los sistemas integrados térmicamente requieren de un arranque u operación inicial en frío hasta que el fluido alcanza la temperatura de operación normal. El fluido frío pasa a través del intercambiador de calor y luego hacia el horno, para llegar finalmente a la columna (Figura 127), en el arranque inicial no existe


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z suficiente fluido caliente para bombear a la corriente caliente. Luego se genera través del intercambiador y alcanzar las condiciones normales de operación.

1

El arranque en frío tiene viscosidades más altas que en operación normal, lo cual puede generar un alto valor de P.

2

Generalmente, el flujo de arranque es menor que el flujo normal de operación. En algunos Proyectos no existe la simulación del proceso con el arranque en frío. Consulte las Bases de Diseño.

3

El arranque en frío puede determinar el caso de diseño de una línea o equipo.

Fluido frío Fluido caliente

Figura 127. Esquema de un sistema integrado térmicamente. 18.5.

Producto Fuera de Especificación Un equipo puede tener destinos diferentes que afecta su diseño. A continuación un ejemplo con una bomba de producto, la cual también puede enviar el fluido a un tanque de producto fuera de especificación: 1

La bomba es evaluada para ambos circuitos por separado (Figura 128). La distancia puede ser diferente para los tanques.

2

El flujo de producto fuera de especificación puede ser menor que el flujo del producto en especificación, porque la operación es realizada a una capacidad menor (Figura 128). Consulte las Bases de Diseño del Proyecto.


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3

Producto fuera de especificación

2

Producto en especificación

1

Figura 128. Esquema para un producto fuera de especificación. 3

18.6.

En algunas instalaciones, el fluido fuera de especificación es bombeado directamente hacia el proceso, sin pasar por un equipo de almacenamiento (Figura 128).

Sistemas de Agua de Enfriamiento La recomendación general es hacer un modelo del sistema de agua de enfriamiento como un circuito cerrado, para considerar toda la geometría del sistema y los equipos. 1

La ubicación de la bomba (fuera o dentro de la piscina) es consultada en el DTI (Figura 129). Sin embargo, la ubicación puede cambiar en función de: materiales requeridos, capacidad, espacio disponible, etc.

3

2

1

Figura 129. Esquema de un sistema de agua de enfriamiento. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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2

3

18.7.

El P de los intercambiadores (Figura 129) es consultado en la hoja de datos. Consulte en las Bases de Diseño cuál es el requerimiento de presión al final de sistema: la torre de agua de enfriamiento (Figura 129) o un punto de empalme.

Sistemas de Flujo por Gravedad y Líneas Parcialmente Llenas a)

Alcance de los cálculos: Las líneas por gravedad son frecuentes en los sistemas de tratamiento de agua de efluentes (WWTP, por las siglas en inglés de wastewater treatment plant). La Figura 130 muestra el alcance típico para los cálculos de las líneas hacia, entre y desde la WWTP: 1

Las líneas hacia la WWTP pueden ser diseñadas por la Disciplina de Ing. Civil cuando son enterradas y por Procesos cuando son superficiales.

2

Si las líneas internas en el paquete de la WWTP no son del alcance del fabricante, estas son dimensionadas por Procesos.

3

Si las líneas desde el paquete de la WWTP no son alcance del fabricante, estas son dimensionadas por la Disciplina de Procesos o Ing. Civil.

3

2

1

Figura 130. Alcance para el cálculo de las líneas en la WWTP. b)

Diferencia de altura: El flujo en las líneas por gravedad es determinado por la diferencia de altura entre el comienzo y el final (Figura 131), tal diferencia es mayor que el total de las pérdidas por fricción y los P de los elementos en la línea


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN (por ejemplo, medidor de flujo yz válvula de control). El cálculo considera el mínimo nivel del líquido al comienzo y el mayor nivel en el final.

LC LLLL

HHLL

FC

Figura 131. Esquema de un sistema por gravedad. c)

Líneas parcialmente llenas (Figura 133): El cálculo de P en las líneas por gravedad considera si las mismas están completamente llenas o no de líquido y el efecto de la inclinación (gravedad) sobre el transporte del fluido. 1

2

El vertedero no está complemente lleno, así que no existe una columna de líquido (presión estática) a favor. Generalmente esto no es considerado en el cálculo de P, si se trata del comienzo de la operación. La línea no está complemente llena de líquido. El cálculo de P por fricción no considera toda el área interna, en este caso existe el concepto de diámetro equivalente (Deq) y radio hidráulico (RH).

Deq  4  RH

Ec. 45

(solo para líneas circulares)

RH 

Área total (Figura 132) Perímetro mojado


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Ec. 46

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Perímetro mojado

Figura 132. Definición de perímetro mojado. 3

La salida atmosférica sin una columna de líquido en contra.

4

El vertedero está lleno y existe una columna de líquido (presión estática) a favor. Condición general de diseño.

5

Algunas secciones de la línea no están completamente llenas.

6

La sección de llegada cubre por completo el área de la línea, lo cual genera una presión estática en contra del flujo.

7

La sección de llegada cubre por completo el área de la línea, lo cual genera que toda la línea esté completamente llena de líquido: cálculo típico de P.

1 2 2

3

4 5

3

4 7 6

Figura 133. Esquema de un sistema con flujo por gravedad y líneas parcialmente llenas. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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Sistemas de Distribución

z

Los sistemas de distribución pueden ser de: 

Agua de enfriamiento, de servicio (o cruda), potable, desmineralizada, etc.



Aceite para calentamiento (hotoil).



Vapor de baja, media o alta presión.



Aire de instrumentos, de planta (o de servicio).



Nitrógeno u otro gas inerte. 1

El usuario que define el requerimiento de presión en la bomba, compresor, equipo tipo paquete o el límite de batería, depende del flujo, la presión y la distancia (Figura 134). Consulte los requerimientos de cada usuario, el más lejano no es siempre el más crítico.

2

El uso de las reducciones de diámetro (Figura 134) para disminuir costos en líneas largas depende del P y los criterios de velocidad.

3

Pueden existir usuarios con un requerimiento de presión bajo en comparación con el resto del sistema, en algunos casos es conveniente colocar una válvula de control de presión automática para garantizar la presión requerida aguas abajo.

Área 1 Usuario 1 Q = 50 gpm P = 50 psig

Área 2 Usuario 3 Q = 75 gpm P = 40 psig

1

1 2

1

Usuario 5 Q = 10 gpm P = 55 psig

3 Usuario 4 Q = 45 gpm P = 45 psig

Usuario 2 Q = 50 gpm P = 35 psig

Figura 134. Esquema de un sistema de distribución. 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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z Paso de Gas de un Sistema de Alta Presión a Otro de Baja Presión

El paso de gas de un sistema de alta presión a otro de baja presión es descrito con detalle en el INEDON “Guía para los Cálculos de Gas Blow-By”, N° 903HM120-P09-GUD-049. 18.10.

Recuperación de Vapores en Tanques de Almacenamiento Los sistemas de recuperación de vapores en los tanques de almacenamiento (VRU, por las siglas en inglés de vapor recovery unit), permiten la compresión de los vapores emanados del tanque y su reinyección al proceso. 1

El tanque de almacenamiento opera cerca de la presión atmosférica (Figura 135), este es un sistema de baja presión.

2

La línea de succión del compresor puede requerir un diámetro grande para minizar el P (Figura 135).

3

El P del eliminador de neblina (Figura 135) es considerado el cálculo, aun cuando el P tenga fracciones de pulgadas de agua.

2 Depurador de succión

3

2

1 Compresor

Tanque de almacenamiento

Figura 135. Esquema de un sistema de VRU. 18.11.

Gas para Compensación de Presión 1

El flujo de desalojo es suministrado en la simulación del proceso (Figura 136).


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PV-001B 2

PC 1 PV-001A

Figura 136. Esquema de un sistema de compensación de presión. 2

El flujo de inyección no es suministrado en la simulación del proceso (Figura 136). La recomendación es usar el mismo flujo volumétrico actual aguas arriba de las dos válvulas. El Cuadro 2 muestra un ejemplo de cálculo cuando se conoce el flujo másico del gas de salida. Cuadro 2. Ejemplo de cálculo para gas de compensación de presión. Propiedades a las condiciones aguas arriba

PV-001A Condiciones y propiedades del gas de salida

PV-001B Condiciones y propiedades del gas inyectado

 m

[kg/h]

562

69,6

P

[barg]

5

0,14

T

[°C]

45

30

MGAS a

[-]

35

22

ZGAS

[-]

0,89

0,91



[kg/m3]

8,9

1,1

Q

[m3/h]

62,9



62,9

Nota: a El gas de salida puede ser diferente al gas inyectado. Ejemplo: gas salida con componentes pesados; gas de inyección desde el sistema de gas combustible tratado.


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z (blanketing) y evacuación de presión en Las válvulas para gas de manto los tanques de almacenamiento están ubicadas a mínima distancia de sus correspondientes conexiones (Figura 137), por tal motivo suelen estar en el techo del equipo.

3

3

MIN

MIN

Figura 137. Esquema de un sistema de gas de manto (blanketing). 18.12.

Inyección de Aire hacia Tanques de Tratamiento de Agua 1

Revise el límite del alcance del fabricante (Figura 138). Las opciones pueden ser: a) El fabricante realiza todo el diseño del sistema de inyección: soplador, línea de descarga, inyección. b) El fabricante solicita un flujo de aire a una presión específica en la entrada del tanque. La Unidad de Procesos realiza el diseño del soplador y la línea de descarga hasta el tanque. c) La Unidad de Procesos realiza todo el diseño.

2

Si el diseño es responsabilidad de la Unidad de Procesos, considere la columna estática de agua (Figura 138).

3

Si el diseño es responsabilidad de la Unidad de Procesos, considere que los difusores generan P en los orificios o la membrana (Figura 138). Consulte al fabricante.


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Tanque de tratamiento

1

2

Soplador Difusores

3

Figura 138. Esquema de un sistema de inyección de aire. 18.13.

Líneas de Transferencia de Hornos a Columnas Las líneas de transferencia de hornos a columnas (Figura 139) tienen flujo bifásico debido a la vaporización parcial del fluido en el horno. El flujo bifásico puede generar la formación de flujo intermitente con tapones de líquido (slug flow), el cual es considerado para el diseño mecánico de la línea, por ejemplo, en los soportes. La existencia de flujo tapón es revisada en los reportes del programa de simulación.

Línea de transferencia

Figura 139. Esquema con una línea de transferencia de horno a columna. 1

La Figura 140 muestra el mapa de régimen (o patrón) de flujo generado por INPLANT™. La “X” indica el régimen de flujo; pero el mapa aplica solo a la salida del tramo.


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2

3

El patrón de flujo a lo largo de la línea es siempre revisado (Figura 141). Si una sección muestra la indicación de flujo intermitente, es suficiente para indicar en el DTI que hay flujo tapón. INPLANT™ y PIPEPHASE™ reportan dos columnas con información sobre el régimen de flujo (Figura 141). 

Flow Regime: régimen de flujo usado para el cálculo de P, depende de la correlación usada.



Corr T-D: régimen de flujo según el mapa de Taitel-Dukler-Barnea (Figura 140).

1

Figura 140. Mapa de régimen de flujo en PIPEPHASE™.


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2 3

Figura 141. Holdup and Velocity Report en PIPEPHASE™. El Keyword Manual de PIPEPHASE™ [16] indica que “el régimen de flujo predicho por una correlación de pérdida de presión puede no reflejar el régimen de flujo real; pero el uso de ese régimen de flujo en la correlación correspondiente, produce los resultados esperados por los desarrolladores de la correlación”. Recomendación: el reporte indica flujo tapón, eso es válido para efectos de diseño (si no se tiene otra fuente con menos incertidumbre). 18.14.

Desvíos de los Intercambiadores de Calor Los desvíos de los intercambiadores de calor, manuales o automáticos, no son siempre requeridos en la simulación del proceso; en esos casos no se dispone de un flujo para el diseño de los desvíos. A continuación, algunas recomendaciones: A)

Línea de desvío para arranque (Figura 142), la línea es calculada con el flujo de arranque, el cual es generalmente menor que el flujo de operación normal. Revise las Bases de Diseño.

B)

Línea de desvío para control de temperatura (Figura 143), los flujos para el diseño de la válvula de control (y su correspondiente desvío) son: a)

Flujo máximo = 130 % (× 1,3) del flujo de diseño del intercambiador.

b)

Flujo mínimo = 10 % (× 0,1) del flujo normal del intercambiador.


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Figura 142. Esquema de desvío para arranque o mantenimiento de un intercambiador de calor.

TC

Figura 143. Esquema de desvío con válvula de control para un intercambiador de calor. 18.15.

Pérdidas de Presión en los Equipos Algunos equipos pueden ser incorporados a la simulación para considerar las pérdidas de presión que originan y los cambios en la temperatura del fluido (por ejemplo, los intercambiadores de calor). 18.15.1. Intercambiadores de Calor 1

2

Los criterios de P máximo permisible en los intercambiadores de calor están definidos en las Bases de Diseño o en el INEDON “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013; dicho P está indicado en la hoja de datos del equipo. En la evaluación de los equipos existentes, se puede usar el P calculado por la Disciplina de Ing. Mecánica o el fabricante.


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z en los intercambiadores de calor no son Las boquillas de entrada y salida requeridas para el cálculo de P.

4

Las boquillas del intercambiador pueden ser más grandes que la línea de entada o de salida (Figura 144); para conseguir el P solicitado en la hoja de datos o cumplir con requerimientos de velocidad (  • v2). En estos casos se evalúa el efecto de la reducción y/o la expansión en el sistema. La optimización del diseño puede considerar el cambio del diámetro de la línea o de las boquillas del intercambiador (con un P más alto); es importante la consideración de los costos y los tiempos de entrega en conjunto con las Disciplinas de Diseño Mecánico e Ing. Mecánica.

Figura 144. Esquema de un intercambiador de calor con boquillas más grandes que la línea. 5

7

Los sistemas con termosifones (Figura 145) consideran la geometría y orientación del intercambiador de calor, así como el efecto del P de las líneas sobre el desempeño del equipo. Esto es posible de manera integrada en el programa de diseño de intercambiadores de calor HTRI®. La Disciplina de Ing. Mecánica (o el fabricante) solicita a Procesos la longitud equivalente de las líneas de entrada y salida y el mínimo nivel de operación de la columna. En algunos casos, la Disciplina de Ing. Mecánica puede solicitar un pre-dimensionamiento de las líneas; pero luego realiza el diseño definitivo en HTRI®. El P de los equipos existentes puede ser estimado con la Ec. 47. Las consideraciones son: use unidades consistentes de presión y flujo volumétrico actual; evalúe los flujos de entrada y salida para seleccionar el P más desfavorable.


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q  P2  P1   2   q1 

2

Ec. 47

Intercambiador tipo termosifón

Columna

LLLL

Figura 145. Sistema integrado de termosifón vertical. 18.15.2.Absorbedores y Mezcladores Estáticos El P de los absorbedores, mezcladores estáticos y equipos similares es calculado por el fabricante, debido a que es una función de la geometría interna y los materiales de absorción. Si existe información de un equipo existente, se puede usar la Ec. 47 para estimar una P a diferentes condiciones de operación.

P incluida en el cálculo


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Figura 146. Esquema con absorbedor.

Figura 147. Esquema con un mezclador estático y ejemplo del interno. 18.15.3.Equipos Finales de Alivio y Venteo 1

Verifique la clase de interno para la entrada de la línea de alivio en el KO Drum (Figura 148), las fuentes son el DTI y la hoja de datos. Si el interno es tipo codo, se incluye ese accesorio al final (o comienzo de la línea).

Mechurrio, tea, antorcha, quemador de desfogue

2a

2b 1 2c KO Drum

Figura 148. Esquema con los equipos finales de alivio y venteo. 2

Si no conoce el P del mechurrio o venteo, añada a) una sección de línea del tamaño (altura) del equipo; b) un codo de 90° de radio largo; y c) una boquilla de entrada a equipo (Figura 148). Los criterios para las líneas de alivio y despresurización están en el INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903-HM120-P09-GUD-041.


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Límites de los Equipos Tipo Paquetez Los límites de los equipos tipo paquete están definidos en las Bases de Diseño o en el Alcance del Proyecto. Las opciones generales son (Figura 149): 1

Límite de entrada: a) La Disciplina de Procesos indica las condiciones (flujo, presión, temperatura, etc.) disponibles a la entrada del paquete. b) El fabricante solicita las condiciones requeridas a la entrada del paquete.

2

3

Límite de salida: a)

La Disciplina de Procesos solicita las condiciones requeridas a la salida del paquete.

b)

El fabricante indica las condiciones disponibles a la salida del paquete.

Las líneas de interconexión pueden o no ser del alcance del fabricante.

4

PK-001 1

PK-001 3

5

2

Figura 149. Límites en los equipos tipo paquete. 4

El Proyecto (Procesos, Diseño Mecánico o Ing. Mecánica) informa al fabricante sobre la altura del cabezal (colector) de alivio. Las líneas de entrada a las válvulas de alivio son revisadas por la Disciplina de Procesos.


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19.

Las recomendación general esz que la Disciplina de Procesos revise las líneas críticas dentro del paquete, por ejemplo, la succión de las bombas y de los compresores. Si no existen las horas disponibles para esa actividad, es conveniente solicitarlas.

REFERENCIAS Leyenda de la ubicación de las referencias: 

Biblioteca de inelectra.



Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de inelectra Panamá, S. A.



Servicio de Normas PDVSA o Internacionales en la ineweb. Intranet de Procesos.

[1]

ANSI/ISA-75.01.01 (60534-2-1 Mod). Flow Equations for Sizing Control Valves. Fourth Printing, 15 August 2005. 

[2]

ANSI/ISA-75.05.01-2000. Control Valve Terminology. 

[3]

API RP 14E. Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping Systems. Fifth Edition, October 1991. 

[4]

API SPEC 5L. Specification for Line Pipe. Forty-third Edition, March 2004. 

[5]

ASME B16.5. Pipe Flanges and Flanges Fittings. 2003. 

[6]

ASME B16.9. Factory Made Wrought Buttwelding Fittings. 2003. 

[7]

ASME B36.10M. Welded and Seamless Wrought Steel Pipe. 2004. 

[8]

ASME B36.19M. Stainless Steel Pipe. 2004. 

[9]

Baumeister, A. y Márquez, K. Steady State and Dynamic Evaluation of a Joint Venture Pipeline. 2nd AIChE / SPE Workshop – Exploiting the Value of Heavy Oil. April 2007.


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2

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN [10] Deffbaugh, D., Buckingham, J.z C. A Study of the Erosional/Corrosional Velocity Criterion for Sizing Multiphase Flow Lines. Southwest Research Institue, Houston. March 30, 1989. 

[11] Fisher Controls International LLC. Control Valve Handbook. Fourth Edition, USA, 2005. [12] Flow of Fluids Trough Valves, Fittings, and Pipe. Crane Co. 1988.  [13] IEC 60534-1. Industrial-process control valves – Part 1: Control valve terminology and general considerations. Third edition 2005-01.  [14] Oluji’c, Ž. Compute Friction Factors Fast for Flow in Pipes. Chemical Engineering, December 14, 1981. [15] Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Section 10 – Transport and Storage of Fluids. McGraw-Hill. Seventh Edition, 1997.  [16] PIPEPHASE™ 9.0. Keyword Manual. Invensys System, Inc. [17] Svedeman, S. J. A Study of the Erosional/Corrosional Velocity Criterion for Sizing Multiphase Flow Lines. October 30, 1990.  [18] VDI-Wärmeatlas (Verein Deutsche Ingenieure). durchströmten Rohren. 9. Auflage 2002. 

Druckverlust

in

[19] Velan Field Engineering Services. URL: www.valvediagnostics.com.


173

de

194

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2


ANEXO 1 – PUBLICACIÓN: COMPUTE FRICTION FACTORS FAST PIPES

FOR

FLOW

IN

(903-HM120-P09-GUD-069-1.pdf)


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ANEXO 2 – DATOS TÉCNICOS DE LAS LÍNEAS Referencia [15] (903-HM120-P09-GUD-069-2.xls)


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ANEXO 3 – PLANO


DE

PLANTA

176

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194

EN

DETALLE

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Bombas:

z

Identificación del equipo. Cota de referencia, en este ejemplo es la boquilla de descarga de la bomba. POS: elevación del tope de la fundación Coordenada este (E). Número pequeños pueden ser en metros o en pies, números grandes pueden ser milímetros o pulgadas. Consulte a Diseño Mecánico. Intercambiador de calor de tubo y carcasa:

CL : Cota referenciada a la línea central.

Elevación (EL) de la línea central: 15600 mm desde la referencia 0, este caso el nivel del mar.

La “caja” indica el espacio libre requerido para extraer el haz tubular. No existen líneas ni otros equipos.

Vista lateral

CL

Nivel del suelo (grade)


177

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Columnas, torres, fraccionadoras, zseparadores verticales, absorbedores: Elevación (EL) de la línea tangente (TL) de fondo.

La “caja” muestra el espacio libre requerido para acceso de una grúa.

Vista lateral

Línea de tangente TL.EL.20800 Faldón (skirt) o estructura elevada POS.EL.10300

Fundación

Nivel del suelo (grade)

Separadores horizontales:

CL : Cota referenciada a la línea central. Elevación (EL) de la línea central.

Coordenada este (E) de la línea central 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

178

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2

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Tanques, esferas:

z

Coordenada norte (N) del centro del tanque.

POS: elevación del tope de la fundación Coordenada este (E) del centro del tanque.

Vista lateral

POS.EL.10300 Nivel del suelo (grade)


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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Puente de tuberías y enfriadores con aire

Elevación de la estructura del enfriador Coordenada este (E) del pórtico

Columna del puente

Coordenada norte (N) del límite del enfriador

Numeración de los pórticos Identificación de la hilera de columnas


180

de

194

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN Brocales o recipientes por debajo zdel nivel del suelo

Área de retención o límite de la fosa donde está el equipo

Diques, vialidad y edificaciones

Vialidad

Dique Paso vehicular a través del dique

Edificio


181

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194

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2


ANEXO 4 – ESTIMACIÓN

DE LA

RUTA


CON UN

182

de

PLANO

194

DE

PLANTA GENERAL

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2


En este plano de planta las distancias son en metros. Si los números son grandes, quizá se usen mm o pulgadas.

2338,5 – 2332,5 = 6

1

2

8,13 mm  6 m

La línea sube al puente.

Bombas en evaluación.

Ejemplo: para la verificación de la escala con la distancia entre los pórticos.

La línea baja del puente a los durmientes. 2

1 Codo de 45°

¿La línea va por el medio, el borde exterior o el interior? Recuerde: esto es un estimado Codo de 45° Este símbolo indica los codos estimados

1

1

¿Existen lazos para expansión térmica de la línea, cuántos? Esto depende de la temperatura del fluido, el diámetro, etc.  consulte a Diseño Mecánico.

Punto de llegada. 1

1 La ruta más probable es siempre por el puente de tuberías o los durmientes.

1

1 903-HM120-P09-GUD-069 REV 2/26/03/2010/aa/df/PA/COL

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La imagen de la página anterior muestra un estimado de la ruta con un plano de planta general. La Figura 150 es una representación en perspectiva, la cual permite analizar información adicional. Flujo ascendente  P estático en contra. ¿Cuál es la altura del puente de tuberías? Consulte a Diseño Mecánico.

Bomba Dos codos como mínimo cada vez que la línea sube o baja del puente de tuberías.

Flujo descendente  P estático a favor. Tanque

¿Está la conexión a nivel de piso o es elevada? Consulte el DTI o la hoja de datos del equipo.

Figura 150. Ruta estimada en perspectiva.


184

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ANEXO 5 – ISOMÉTRICOS


185

de

EN

194

DETALLE

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2

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE PÉRDIDA DE PRESIÓN z Identificación del equipo y elevación de la línea central Coordenadas este (E) y norte (N) de la boquilla

Boquilla del equipo

Codo de 90°

N1: identificación de la boquilla 3”: diámetro nominal, 300 #: clasificación, RF: tipo de cara de la brida FOF.EL: elevación de la cara de la brida. Válvula de bloqueo manual tipo bola (esférica). La simbología de las válvulas corresponde con los DTI

Número de línea y elevación de la línea central Soporte

Conexión para instrumento Tamaño de la conexión


186

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Cambio de clase

Válvula de alivio de presión

Elevación (EL) de la válvula Proyección de la línea de salida

Cambio de diámetro Sentido de flujo

Cambios de diámetro. En este ejemplo hay dos Conexión de drenaje

Válvula de control


187

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Sección para desmantelamiento Punto de empalme

Coordenadas del punto de continuación

No. del isométrico donde continúa la línea Conexiones de instrumentos

Brida (flange). No es un cambio de diámetro Soporte, no es otra línea. Una regla de diseño es no hacer conexiones en los codos


188

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2


Codo 45°

Conexión para soldadura. No confunda con un cambio de diámetro

La línea segmentada es indicación de aislamiento térmico o trazas de calentamiento


189

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ANEXO 6 – PLANOS


DE

PLANTA DETALLADOS

190

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2


Ubicación del plano de planta detallado en el plano de planta general (key plan)

Algunos planos muestran vistas laterales


191

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903-HM120-P09-GUD-069 Rev.

2


Estación de control simplificada

Codos debidos a los cambios de elevación

Indicación de la elevación del plano de planta en el puente de tuberías


192

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194

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903-HM120-P09-GUD-069 2

Rev.


La línea continúa en un plano con otra elevación

Equipo Equipocon conplataformas plataformas en diferentes elevaciones

Plataforma de rejilla (grating)


193

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Sección de un equipo tipo paquete


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