MÁQUINA EXTRACTORA DE PETRÓLEO
PRESENTADO POR: INOCENCIA GONZALES BARRIGA IVAN VASQUEZ CAMPO YOSIMAR YA YANCES PATERNINA PATERNINA
INGENIERO QUIMICO RICARDO DURÁN BARON
FUNDACION UNIVERSITARIA DEL AREA ANDINA SEDE VALLEDU VALLEDUPA PAR R FACULTAD DE INGENIERIA
2015
In!"#$%%&'n Todos sabemos que las maquinas extractoras de petróleo son unas máquinas fascinantes ya que extraen liquido de adentro de la tierra mediante un rotor que hace girar un cabezote contrapeso bajando subiendo una broca perforador que al momento de llenarse o sacar un poco del preciado líquido se eleva subiendo este por medios de mangueras bueno en nuestro proyecto lo que intentaremos innovar una máquina que de tal manera que esta no trabaje con rotores y dinamos sino que trabaje con presiones e implementos que mejoren el uso de esta en una óptima utilización y mejor funcionamiento sin dejar de lado los costos y también la calidad de esta en el sentido de la producción.
O()*&+" l objetivo de este proyecto es mejorar la implementación de equipos en la industria de la minería pensando en cosas innovadoras y cada vez mejores! para un mejor funcionamiento en las actividades mineras tanto a cielo abierto como subterránea! usando lo aprendido en nuestras clases e investigación hecha.
M*"#","-./ Todos sabemos que nuestro mundo se rige de las leyes físicas y químicas! además la precisión de estas esta en los n"meros ya que ellos son exactos y toda la demás historia de ahí para adelante fuera de este contexto nos encontramos con una metería que rige los conocimientos de la física parte restantes a la energía que se hace llamar termodinámica. #a primera ley de la termodinámica fue unos de los principios más importantes! esta ley establece que la energía no se crea! ni se destruye! sino que se conserva. ntonces esta ley expresa que! cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico! el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo! y viceversa! el calor también es convertido en trabajo en una idea muy somera de lo que se quiere realizar es tratar de hacer una máquina que se eleve por presiones sin necesidad de hacer ning"n tipo de combustible que contamine el medio ambiente además tratar de implementar nuevas formas de mecanismo que trabajen como un dinamo o motores. $ntes de comenzar a hablar de lo numérico se responderán unas preguntas que tal vez aclaren más la parte que se quiere demostrar! ad emás para formarse una idea de las dificultades que se tendrá a lo largo de este proyecto. %encionaremos las partes más importantes para este proyecto pues es como la base para el mismo&
C'" !*,/3/!*"4 *, !""! " ""! Todos sabemos que los rotores o motores que se mueven encima de un eje son dinamos que se mantiene en constante movimiento circular esta será parte importante en nuestro proyecto ya que este el que nos pondrá en movimiento la máquina de tal manera que se pueda suplantar por una maquina rotativa a presión. 'maginémonos un rodillo de tal manera que tenga canaletes que estos ayudaran a encasillar las presión haciendo así que el impulso que implementa este a mover el rotor y sea lo suficiente para mover el contra peso.
(ara solucionar este problema lo que haremos es poner una especie de biela con un pistón en forma horizontal que haga el mismo movimiento de las ruedas de un tren con el fin de remplazar un motor a gasolina por algo de forma de vapor. )e debe entender que una máquina de vapor funciona de la siguiente manera& )e genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente! lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. %ediante un mecanismo de biela * manivela! el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona! por ejemplo! las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. +na vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. l vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga, es decir! los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
S&4*/ #* )/,/#" +*!&%/, ste sistema es muy importante en nuestro proyecto ya que es el que se encargar de sacar el petróleo de tal manera que cuando el contra peso haga lo suyo el mantenga la tensión mecánica tal manera que se encuentre jalado el taladro pueda subir el petróleo.
P!"#$%%&'n #* !*4&'n #a producción de esta puede ser el evento más relacionado con la termodinámica ya que en este nos encontraremos con leyes de la termodinámica como la compresión de un gas! cambio de estado! entre otros. #a presión que será producida para que el preciado líquido pase de un t"nel a otro! con el fin de extraer petróleo.
P"#!*"4 $&,&3/! %/n*!/4 (ues una buena pregunta hemos pensado en utilizar una cantera de elevadas presiones que estén llevadas a una manguera que transporte las presiones de los sistemas la creación de la cantera es una idea que puede reflejarse como una olla a presión imaginemos esta misma y entenderemos. (ara terminar pues trataremos muchos temas aquí algunos de los más importantes para ya ir creando ideas de la complejidad de este proyecto.
L/ !&*!/ ,*6 #* ,/ *!"#&n7&%/ #a primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea! ni se destruye! sino que se conserva. ntonces esta ley expresa que! cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico! el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo! y viceversa. s decir - /! en que - es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y / el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo. +n ejemplo sencillo seria& $l remover con un taladro el agua contenida en un recipiente! le estamos aplicando trabajo! que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. n este caso! el sistema puede ser el agua! el medio sería el taladro! el aire circundante y todo lo que está fuera del sistema que no sea agua 0pues lo que está afuera recibirá calor del sistema1.
L/ !&*!/ ,*6 /!/ $n 4&4*/ n este caso! el sistema podría ser el agua contenida en un recipiente! y el medio ambiente todo lo que rodea el recipiente! que serían desde la cocina en donde descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor! en fin! la atmósfera y todo lo que esté fuera del recipiente. )upongamos que encima de este recipiente colocamos una tapa! "nicamente usando su peso. $demás que al recipiente se le suministra calor del quemador de la cocina que lo contiene. $ medida que el agua empieza a hervir! la tapa empieza a moverse cada vez más 2ápidamente. l movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento que representa el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente.
L/ *n*!-./ &n*!n/ 3uando el agua está hirviendo! hace que la tapa del recipiente realice el trabajo. (ero esto lo hace a costa del movimiento molecular! lo que significa que no todo el calor suministrado va a transformarse en trabajo! sino que en parte se convierte en incremento de la energía interna! la cual obedece a la energía cinética de traslación! vibración y potencial molecular. (or lo que la fórmula anterior que mencionamos también tendría que incluir a la energía interna.
F"!$,/%&'n #* ,/ !&*!/ ,*6 /!/ $n 4&4*/ #a primera ley expresa que el calor! suministrado por el medio ambiente 0el quemador de la cocina1 a un sistema 0el agua contenida en el recipiente1 es igual al cambio de la energía interna en el interior del líquido 0agua en este caso1 sumada al trabajo que el agua realiza cuando al hervir mueve la tapa contra el medio ambiente. (or lo tanto& el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema 0agua1 más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio.
S&-n"4 #*, %/,"! 6 *, !/(/)" )i el medio suministra calor sobre el sistema! el calor será positivo y si recibe calor del sistema será negativo. )i el medio realiza trabajo sobre el sistema! el trabajo será negativo y si recibe trabajo de parte del sistema! el trabajo será positivo.
L*6 #* %"n4*!+/%&'n #a primera ley de la termodinámica es entonces la ley de conservación de la energía! que asegura que la energía no se crea! ni se destruye! sino que se conserva. sta ley ha sido confirmada en numerosos e interminables experimentos y hasta hoy no ha habido uno solo que la contradiga. (or esto cuando una persona como )tephen 4a56ing busca explicar un fenómeno físico! debe asegurarse de que sus conclusiones no violen la primera ley de la termodinámica.
F$*!3/ #a fuerza es un concepto difícil de definir! pero muy conocido. )in que se diga lo que es la fuerza se puede intuir su significado a través de la experiencia diaria. +na fuerza es una magnitud que cuando act"a sobre un cuerpo! de cierta masa! le provoca un efecto. (or ejemplo! al levantar pesas! al golpear una pelota con la cabeza o con el pie! al empujar alg"n cuerpo sólido! al tirar una locomotora de los vagones! al realizar un esfuerzo muscular al empujar algo! etcétera siempre hay un efecto.
fv = sen ( θ )∗w∗g + u∗cos ( θ )∗ w∗g
)abiendo que& g ala gravedad u coeficiente de rozamiento 5 al peso en toneladas 7espués de despejar la fórmula de fuerza nos queda que la aceleración está dada de la siguiente forma& a =sen ( θ )∗g + u∗cos ( θ )∗g
l efecto de la aplicación de una fuerza sobre un objeto puede ser& 8 M"#&8&%/%&'n #*, *4/#" #* "+&&*n" n que se encuentra el objeto que la recibe. 8 M"#&8&%/%&'n #* 4$ /4*%" 8.4&%" También pueden ocurrir los dos efectos en forma simultánea. 3omo sucede! por ejemplo! cuando alguien patea una lata de bebida& la lata puede adquirir movimiento y también puede deformarse. 7e todos los ejemplos citados podemos concluir que&
8 #a fuerza es un tipo de acción que un objeto ejerce sobre otro objeto 0se dice que hay una interacción1. sto puede apreciarse en los siguientes ejemplos& 9 un objeto empuja a otro& un hombre levanta pesas sobre su cabeza 9 un objeto atrae a otro& el )ol atrae a la Tierra
9 un objeto repele a otro& un imán repele a otro imán 9 un objeto impulsa a otro& un jugador de f"tbol impulsa la pelota con un cabezazo 9 un objeto frena a otro& un ancla impide que un barco se aleje.
8 7ebe haber dos cuerpos& de acuerdo a lo anterior! para poder hablar de la existencia de una fuerza! se debe suponer la presencia de dos cuerpos! ya que debe haber un cuerpo que atrae y otro que es atraído! uno que impulsa y otro que es impulsado! uno que empuja y otro que es empujado! etc. 7icho de otra manera! si se observa que sobre un cuerpo act"a una fuerza! entonces se puede decir que! en alg"n lugar! hay otro u otros cuerpos que constituyen el origen de esa fuerza. 8 +n cuerpo no puede ejercer fuerza sobre sí mismo. )i se necesita que act"e una fuerza sobre una persona! tendrá que buscar alg"n otro cuerpo que ejerza una fuerza! porque no existe ninguna forma de que un objeto ejerza fuerza sobre sí mismo 0la persona no puede empujarse! una pelota no puede :patearse: a sí misma1. 8 #a fuerza siempre es ejercida en una determinada dirección& puede ser hacia arriba o hacia abajo! hacia adelante! hacia la izquierda! formando un ángulo dado con la horizontal! etc. (ara representar la fuerza se emplean vectores. #os vectores son entes matemáticos que tienen la particularidad de ser direccionales, es decir! tienen asociada una dirección. $demás! un vector posee módulo! que corresponde a su longitud! su cantidad numérica y su dirección 0ángulo que forma con una línea de referencia1. )e representa un vector gráficamente a través de una flecha en la dirección correspondiente.
T*n4&'n *%7n&%/ n física e ingeniería! se denomina tensión mecánica a la magnitud física que representa la fuerza por unidad de área en el entorno de un punto material sobre una superficie real o imaginaria de un medio continuo. s decir posee unidades físicas de presión. #a definición anterior se aplica tanto a fuerzas localizadas como fuerzas distribuidas! uniformemente o no! que act"an sobre una superficie. 3on el objeto de explicar cómo se transmiten a través de los sólidos las fuerzas externas
aplicadas! es necesario introducir el concepto de tensión! siendo éste el concepto físico más relevante de la mecánica de los medios continuos! y de la teoría de la elasticidad en particular. #a tensión es medida por la fuerza ejercida por el contenido del tubo ósea que la tensión va ser la misma fuerza en contra del movimiento. T = Dv / Ds
9&'*4&4 #* ,/ /$&n/ / +/"! #a fuerza que se genera mediante el vapor ha llamado mucho la atención a muchas civilizaciones desde hace cientos de a;os. n el siglo ' d.3! los científicos griegos se dieron cuenta de que mediante el vapor se podía generar fuerza o energía posible de utilizar. n este entonces! los antiguos griegos no usaron el vapor para mover maquinaria. 2ecién a finales del siglo <=''! y tras miles de pruebas que habían fallado! se empezaron a usar las máquinas de vapor. #os ingenieros de esa época crearon las primeras. l %arques de /orcester y Thomas )avery fueron grandes contribuyentes en este tema. )avery pretendió usar la maquina inventada por él para bombear agua afuera de las minas. #a primera máquina de vapor que tenía realmente fines prácticos fue la creada en el a;o >?>@ por Thomas Ae5comen. l escocés Bames /att! fabricante de instrumentos! mejoró la máquina de vapor. %ediante sus aparatos se condensaba el vapor fuera del cilindro principal! lo que permitía ahorrar calor. #as máquinas de vapor usaban a este para forzar a bajar el pistón y así aumentar la eficiencia. #as nuevas máquinas se convirtieron rápidamente en la mayor fuente de energía de las fábricas y minas. #as mejoras efectuadas luego incluyeron un motor más compacto y de alta presión usado en locomotoras y barcos.
P!*4&'n #a presión necesaria dentro del sistema estará dada por la fórmula de (CD$ )abiendo que el área de contacto será la que pondremos en esta la fuerza estará dada por la formula antes vista y además de esto el área será el área de contacto un ejemplo de esto sería como la columna de aire que debe vencer un gas para ebullir.
V",$*n #* ,/ %/,#*!/ Auestra caldera será realizada con tungsteno es un material que resiste altas temperaturas por lo tanto nos servirá ya que son numero elevados los que utilizaremos en esta Auestra caldera será esférica por lo tanto tenemos que utilizar el volumen de una esfera este está dado por la fórmula 4
v = ∗π ∗r
3
3
)abiendo que nuestra caldera será de un volumen @EF.GF mHI ya tenemos el volumen y de esto podemos deducir la masa y por tanto el n"mero de moles. m= v∗d
m masa v volumen d densidad $hora bien si ya tenemos las masas decimos que& n =w / pm
/ masa (m peso molecular del agua Ja determinamos los factores que inciden en la fuerza del gas ahora terminaremos con la ley de los gases ideales.
P!&n%&&" #* P/4%/, ste principio consiste en que la presión ejercida sobre un fuido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. n nuestro caso la presión será ejercida por el vapor agua licuefactado sobre el petróleo el cual será nuestro fluido poco comprensible y nuestro recipiente indeformable serán los límites del pozo y los tubos de extracción! donde el vapor agua licuefactado por medio de presión moverá al petróleo sacándolo a la superficie.
L*6 #* ,"4 -/4*4 &#*/,*4 n el estado sólido la fuerza de cohesión de las moléculas hace que estas estén muy próximas unas de otros con escaso margen de movimiento entre ellas. n el estado líquido esta fuerza de cohesión molecular es menor lo cual permite mayor libertad de movimiento entre ellas. n el estado gaseoso la fuerza de cohesión de las moléculas es muy peque;a! prácticamente nula! lo cual permite que estas se muevan libremente y en todas direcciones. n este capítulo nos dedicaremos a estudiar este comportamiento de los gases para encontrar una explicación al mismo. #a ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal! un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos 0 conservación de momento y energía cinética1. #a energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. #os gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura $ntes de entrar de lleno en el estudio de las leyes que explican el comportamiento de los gases! veamos cómo influyen en este los eventos físicos que los alteran y que son& temperatura! presión y volumen! además de la cantidad de que se trate.
p∗v = R∗t ∗n
7ónde& ( (resión absoluta. = =olumen del gas. n %oles de gas 2 3onstante universal de los gases 0 T Temperatura absoluta
0.08205746
[
atm. L mol.K
]
1
)eg"n estos podemos afirmar que la temperatura de nuestro gas será relacionado con esta fórmula lo podremos deducir sabiendo la cantidad de agua que la obtendremos por el tama;o de la caldera además de esto la presión será dada por la fórmula de pCD$. F ∗4 T =
3
π ∗r
3
R∗n∗ A
S&,"4 #os silos serán una parte fundamental en nuestro proyecto ya que serán los encargados de soltar el gas por medio de válvulas estos también se encargaran de guardar el gas en forma líquida por un método que se la licuefacción que es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado gaseoso al líquido ! por el aumento de presión 0compresión isoterma1 y la disminución de la temperatura 0expansión adiabática1! llegando a una sobrepresión elevada! hecho que diferencia a la licuefacción de la condensación . su tama;o dependerá que tanto deseas guardar ósea que estará dada por la fórmula del volumen de un cilindra antes vista. #a licuefacción es un medio por el cual por medio de presiones se puede comprimir un gas hasta que este se vuelva liquido logrando así que ocupe menos espacio ya que en su forma gaseoso ocuparía mas pero ala ser soltado o liberado volverá a su forma normal en esta gas.
M/n-$*!/4; -$/6/4 6 $("4 stas serán dise;as de acero y tungsteno ya que solo se encargar de transportar el gas de la caldera hacia los silos al igual que las guayas serán la sucesión de varias lianas de acero formando una trenza para que resista más tensiones y se logre acomodar a lo que necesitamos.
E<,&%/%&'n #* "#" *4" #o primero será hacer uno t"neles de con la perforadora al comienzo y al final del pozo petrolífero con el fin de inyectar presión por uno! la cual será generada por la licuefacción del h@G la cual y en el otro descender un tubo que será el encargado de llevar el líquido a superficie. #o que haremos será poner un motor a vapor que produzca movimiento a través de una máquina que llevara un contrapeso que moverá la biela de la torre haciendo subir y bajar un tubo que llevara una broca de perforación hasta llegar al yacimiento! este tubo será el encargado de llevar el petróleo a la superficie y por el otro t"nel lo que haremos será inyectar presión
para cambiar las condiciones del petróleo con el fin de volverlo más líquido y sea más fácil llevarlo a superficie.
