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    REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO

    SANTIAGO MARIO EXTENSIN-MATURN

    PROCESO ISOTRPICO ASOCIADO A LADESPRESURIZACIN DE PLANTAS COMPRESORAS DE GASPARA LA INDUSTRIA PETROLERA

    Trabajo de Nivelacin de ndice

    Autor: Johnnyssa BecerraTutor: Merlin Villafranca

    Maturn, noviembre de 2013

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    NDICE

    Pp.CAPTULOI . 3

    Introduccin ... 3Planteamiento del Problema... 4Objetivos de la Investigacin ..................................... 5

    Objetivo General . 5ObjetivosEspecficos .. 5

    CAPTULO II......................... 6Desarrollo........................ 6

    Generalidades del Gas Natural 6Hidratos de Gas ... 6Sistema de Despresurizacin 7Sistema de Compresin de Gas Natural .. 7Procesos de Compresin msComunes.. 8Flujo de Fluidos Comprensibles en Tubera ... 8

    Proceso Adiabtico . 9Resultados .. 11CONCLUSIN.. 20RECOMENDACIONES ... 21REFERENCIAS..... 22

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    CAPTULO I

    INTRODUCCIN

    En termodinmica se designa como proceso adiabtico a aqul en el cualel sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor consu entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce como procesoisotrpico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la mxima transferencia de calor,causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotrmico.

    El trmino adiabtico hace referencia a elementos que impiden la transferenciade calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un lmiteadiabtico. Otro ejemplo es la temperatura adiabtica de llama, que es la temperaturaque podra alcanzar una llama si no hubiera prdida de calor hacia el entorno. Enclimatizacin los procesos de humectacin (aporte de vapor de agua) son adiabticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura

    del aire y su humedad relativa. En este sentido, la primera ley de Termodinmica conQ=0 muestra que todos los cambios en la energa interna estn en forma de trabajorealizado. Esto pone una limitacin al proceso del motor trmico que le lleva ala condicin adiabtica mostrada abajo. Esta condicin se puede usar para derivarexpresiones del trabajo realizado durante un proceso adiabtico.

    Dentro de la industria petrolera, estos procesos son utilizados para ladespresurizacin de gases. El gas natural representa hoy en da una de las principalesfuentes alternativas de combustible ante las grandes demandas mundiales.Actualmente en el pas existen una serie de proyectos a nivel de explotacin deyacimientos gasferos y desarrollo de plantas de procesamiento del mismo, en bsqueda de incrementar la produccin nacional. El presente trabajo plantea describirla relacin del proceso isotrpico con la despresurizacin del gas.

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    PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

    El gas natural es una mezcla de compuestos de hidrgeno y carbono y pequeascantidades de compuestos no hidrocarburos en fase gaseosa o en solucin con el petrleo crudo que hay en los yacimientos. La molcula del gas natural estcompuesta por un tomo de carbono y cuatro de hidrgeno, que se representan con lafrmula (CH4) como puedes apreciar en esta ilustracin. Muchos de loshidrocarburos en el gas natural son saturados, lo que significa que cada tomo decarbono se enlaza a otros cuatro de hidrgeno.

    stos son los que se conocen como alcanos, parafinas y alifticos. Se puedeencontrar el gas asociado o no al petrleo; as como se puede producir de maneraartificial a travs de la destilacin o por fermentacin de sustancias orgnicas. El gasnatural es una energa rentable de precio competitivo y eficiente como combustible, elcual se utiliza en la cocina, para climatizar el hogar, como carburante en la industria, para generar electricidad y como producto bsico para sntesis qumicas orgnicas.

    En explotacin de yacimientos gasferos, el gas sale a distintas presiones delyacimiento y cuando este sale en baja presin no se puede inyectar en los gasoductosde transporte que operan a alta presin, entonces para poder vender ese gas se lleva por gasoductos este gas a plantas que le sacan el agua que puede tener y luego locomprimen con motocompresores hasta la presin necesaria para poder inyectarlo algasoducto de transporte. Ahora bien, luego de cierta distancia recorrida por el gas enel gasoducto este va perdiendo energa (presin) y es necesario instalar otra planta para poder impulsar el gas y que llegue hasta los centros de distribucin. Tomando encuenta lo descrito, se procedi a elaborar el siguiente trabajo de investigacin, con lafinalidad explicar el proceso isotrpico asociado a la despresurizacin del gas.

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    Objetivos de la Investigacin

    Objetivo General

    Describir el proceso isotrpico asociado a la despresurizacin de plantascompresoras de gas para la industria petrolera, con el fin de identificar los distintosescenarios dentro de un complejo industrial.

    Obj etivos Especficos

    1. Describir los procesos isotrpicos, con el fin de establecer los pasos asociados asu ejecucin.

    2. Determinar aquellos elementos ocasionan el calentamiento y enfriamiento de ungas.

    3. Exponer la relacin entre el proceso isotrpico y la despresurizacin del gas. 4. Describir la aplicacin de la Ley de los Gases Ideales.

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    CAPTULO II

    DESARROLLO

    Generali dades del Gas Natu ral

    El gas natural es una mezcla de hidrocarburos ligeros compuesto principalmente de metano, etano, propano, butanos y pentanos. Otros componentes

    tales como el CO2, el Helio, el Sulfuro de Hidrgeno y el Nitrgeno se encuentrantambin en el gas natural. La composicin del gas natural nunca es constante, sinembargo, se puede decir que su componente principal es el metano. El metano esaltamente inflamable, se quema fcil casi en su totalidad y emite muy pocacontaminacin. El gas natural previamente tratado no es ni corrosivo ni txico, sutemperatura de combustin es elevada y posee un estrecho intervalo deinflamabilidad, lo que hace de l un combustible fsil seguro en comparacin conotras fuentes de energa. Adems, por su gravedad especifica de 0,60, inferior a la delaire (1,00), el gas natural tiene tendencia a elevarse y puede, consecuentemente,desaparecer fcilmente del sitio donde se encuentra a travs de cualquier grieta.

    El gas natural es incoloro, inodoro, inspido y ms ligero que el aire, esconsiderado como un combustible limpio bajo su forma comercializada. Susemisiones de xidos de Nitrgeno (NO) son menores a las generadas por el petrleoy el Carbn. Las emisiones de Dixido de Carbono (CO2) son inferiores a la de otroscombustibles fsiles.

    H idratos de Gas

    Los hidratos de gas son un grupo especial de substancias qumicas que ocurrennaturalmente, de agua y gases de poco peso molecular, llamados compuestos de

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    inclusin, que tienen una estructura de jaula y que incluyen molculas de gas metano.La molcula husped en la estructura es agua, en forma de hielo y la inclusin son elmetano y otros gases como el etano y el dixido de carbono. Son acumulaciones

    cristalinas que se asemejan al hielo, sin embargo, se pueden formar a temperaturassobre el punto de congelacin del agua. Generalmente todos los gases (exceptuandoel Hidrgeno, Helio y Nen) forman hidratos, sin embargo, los ms conocidos yabundantes en la naturaleza son los hidratos de metano.

    Sistema de Despresur izacin

    El sistema despresurizacin de un complejo de compresin est constituido en primera instancia por las vlvulas de cierre rpido, que permiten el cierre de lasuccin y descarga de las plantas compresoras y las vlvulas de purga o aperturarpida, que con su apertura permiten la comunicacin de todas y cada una de laslneas de transmisin de gas conectadas a las descargas de las diferentes plantascompresoras con el despojador general de lquidos y este a su vez es conectado atravs de una lnea con el mechurrio.

    El despojador general de lquidos adems de despojar el volumen de liquidocontenido en el gas de alivio de modo de garantizar que el mismo llegue al mechurriosin la presencia de condensados, cuenta con un sistema de bombas que le permiteenviar los condensados atrapados por este hacia el sistema de manejo de condensadodel complejo. El sistema de mechurrio tiene por finalidad quemar el gas que se liberade todas las plantas compresoras como consecuencia de paros imprevistos o programados con la mnima cantidad de humo y sin ruidos a fin de cumplir con losrequerimientos ambientales vigentes en la ley.

    Sistemas de Compr esin de Gas Natural

    Una vez que se han cubierto las fases para poner en produccin el pozo, esdecir, que el pozo se encuentra perforado y completado, se procede a instalar todas

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    las instalaciones de superficie adecuadas para cada caso que se requiera. Entre losequipos de superficie ms comunes en la industria petrolera se tienen: lneas de flujo,estaciones de flujo y de descarga, patios de tanques y plantas compresoras de gas.

    Dichas plantas son de gran utilidad cuando se requiere trasladar cierta cantidadde gas a un sitio de larga distancia garantizando su llegada al lugar de destino. Lafuncin de un compresor es tomar una cantidad definida de fluido (comnmente gasy/o aire) y conducirlo a una presin requerida superior, es decir, manejar un fluido yentregarlo a una presin mayor que la que tena originalmente. El aumento de energadel gas se manifiesta por aumento de presin y en la mayora de los casos poraumento de la temperatura. La compresin del gas natural se puede representar por un proceso termodinmico en donde el gas con una presin P1 se comprime y posteriormente se descarga a los niveles de presin P2 superiores requeridos.

    Procesos de Compresin ms Comunes

    a) Isotrpico: proceso en el que la entropa del fluido que forma el sistema permanece constante. Proceso adiabtico reversible donde no existe transferencia decalor con el entorno. b) Isotrmico: Es el proceso que se realiza a temperatura constante. Paracomprimir el gas se debe eliminar calor con el objeto de mantener constante latemperatura. El cambio de temperatura es inversamente proporcional al de volumenespecfico.c) Politrpico: En realidad todos los procesos de compresin son intermediosentre ambos. El proceso politrpico tiene una expresin generalizada de todos los procesos posibles.

    Flu jo de F lu idos Compresibles en Tuberas

    La determinacin exacta de la prdida de presin de un fluido compresible quecircula por una tubera requiere un conocimiento de la relacin entre presin y

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    volumen especfico, los casos extremos considerados normalmente son el flujoadiabtico el cual ocurre en tuberas cortas y bien aisladas. Esto es debido a que no setransfiere calor desde o hacia la tubera, excepto la pequea cantidad de calor que se

    produce por friccin que se aade al flujo, y el flujo isotrmico o flujo a temperaturaconstante, se considera que ocurre muy a menudo.

    Para obtener el comportamiento del flujo de fluidos compresibles a travs detuberas se puede utilizar la frmula de Darcy, como lo establece, CRANE, C. (1977).Flujo de fluidos en vlvulas, accesorios y tuberas, sin embargo es necesariodestacar que la misma posee limitaciones. Si la prdida de presin calculada (P2- P1),donde P1 representa la presin de entrada y P2 la de salida. Es menor que el 10% dela presin de entrada P1, se obtiene con exactitud si el volumen especfico que seintroduce en la frmula se basa en las condiciones de entrada o en las condiciones desalida, cualesquiera que sean conocidas, pero si la cada de presin calculada (P2- P1)es mayor que un 10% pero menor que un 40% de la presin de entrada P1, laecuacin de Darcy puede aplicarse con precisin utilizando el volumen especfico basado en una media de las condiciones de entrada y de salida.

    Proceso Adiabti co

    En termodinmica se designa como proceso adiabtico a aqul en el cual elsistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con suentorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce como procesoisotrpico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la mxima transferencia de calor,causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como procesoisotrmico.

    El trminoadiabtico hace referencia a elementos que impiden la transferenciade calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un lmiteadiabtico. Otro ejemplo es la temperatura adiabtica de llama, que es la temperaturaque podra alcanzar una llama si no hubiera prdida de calor hacia el entorno. Enclimatizacin los procesos de humectacin (aporte de vapor de agua) son adiabticos,

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    puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperaturadel aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabtico son procesos que comnmente ocurren debido al cambio en la presin de un gas. Esto

    puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales. (Ver figura 1)

    Fi gura 1. Curva del Proceso Isotrpico.

    Enfriamiento Adiabtico del Aire

    Existen, tres relaciones en el enfriamiento adiabtico del aire:1. La relacin ambiente de la atmsfera, que es la proporcin a la que el aire seenfra a medida que se gana altitud.2. La tasa seca adiabtica, es de unos -1 por cada 100 metros de subida.3. La tasa hmeda adiabtica, es de unos -0,6 - 0,3 por cada 100 metros desubida.

    La primera relacin se usa para describir la temperatura del aire circundante atravs del cual est pasando el aire ascendente. La segunda y tercera proporcin sonlas referencias para una masa de aire que est ascendiendo en la atmsfera. La tasaseca adiabtica se aplica a aire que est por debajo del punto de roco, por ejemplo sino est saturado de vapor de agua, mientras que la tasa hmeda adiabtica se aplica a

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    aire que ha alcanzado su punto de roco. El enfriamiento adiabtico es una causacomn de la formacin de nubes.

    El enfriamiento adiabtico no tiene por qu involucrar a un fluido. Una tcnica

    usada para alcanzar muy bajas temperaturas (milsimas o millonsimas de gradosobre el cero absoluto) es la desmagnetizacin adiabtica, donde el cambio en uncampo magntico en un material magntico es usado para conseguir un enfriamientoadiabtico.

    Resultados

    Defi ni cin de los Diferentes Escenar ios de Despresur izacin

    Con la finalidad de establecer la contingencia que va a prevalecer, para ladefinicin de las cargas de despresurizacin de las plantas, se plantean tres (3) posibles escenarios de despresurizacin en base a un anlisis concreto de todos y cadauno de los eventos que puedan causar el paro no programado de algunas de las plantas.

    Paro no Programado de la Planta

    Este escenario contempla el paro no programado de extraccin. A continuacinse indican las premisas de este escenario. Premisas:1. Paro de extraccin.2. No hay transferencia de gas3. Desvi de gas

    4. El volumen enviado por plantas compresoras es vatible5. Cualquier excedente de gas de media se venteara desde los mdulos de produccin, de tal forma, que el gas proveniente es venteado por otro equipo.

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    Falla Elctrica General

    La prdida del suministro elctrico, afecta la continuidad de las operaciones de

    la planta, debido a la falta de energa requerida por los motores elctricos deenfriadores, compresores, bombas de aceite lubricante, ocasionando el paro generalde todas las instalaciones involucradas en el proceso. En este escenario se vernafectadas todas las plantas compresoras, por lo que se desviara el gas no manejadodesde cada uno de los mdulos de produccin a los me churrios respectivos y ladespresurizacin del gas entrampado se efectuara a travs de otro mechurrio.

    Cero Transferencia

    En este escenario se ven afectadas las plantas compresoras, las cualesdespresurizaran el gas entrampado. A continuacin se indica un resumen con lascondiciones asociadas a este escenario:

    Ley de los Gases I deales

    La ley de los gases ideales es la ecuacin de estado del gas ideal, un gashipottico formado por partculas puntuales, sin atraccin ni repulsin entre ellas ycuyos choques son perfectamente elsticos. La energa cintica es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que ms se aproximanal comportamiento del gas ideal son los gases monoatmicos en condiciones de baja presin y alta temperatura.

    El estado de una cantidad de gas se determina por su presin, volumen y

    temperatura. La forma moderna de la ecuacin relaciona estos simplemente en dosformas principales. La temperatura utilizada en la ecuacin de estado es unatemperatura absoluta: en el sistema SI de unidades, kelvin, en el sistema imperial,grados Rankine.

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    Forma Comn

    La ecuacin que describe normalmente la relacin entre la presin, el volumen,

    la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:

    P * V = n * R * T

    Donde:= Presin absoluta= Volumen

    = Moles de gas= Constante universal de los gases ideales= Temperatura absoluta

    Teora Cintica Molecular

    Esta teora fue desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las

    propiedades de un gas ideal a nivel molecular.1. Todo gas ideal est formado por N pequeas partculas puntuales (tomos omolculas).2. Las molculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta ydesordenada.3. Un gas ideal ejerce una presin continua sobre las paredes del recipiente que locontiene, debido a los choques de las partculas con las paredes de este.

    4.

    Los choques moleculares son perfectamente elsticos. No hay prdida deenerga cintica.5. No se tienen en cuenta las interacciones de atraccin y repulsin molecular.6. La energa cintica media de la translacin de una molcula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

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    En estas circunstancias, la ecuacin de los gases se encuentra tericamente:

    PV = Nk BT

    donde es la constante de Boltzmann, donde N es el nmero de partculas.

    Condiciones General es de un Proceso Adiabti co

    La definicin primordial de un proceso adiabtico es la de aquel en la que nohay intercambio energtico en forma de calor entre el sistema y sus alrededores unideal, pero ese ideal es un fastidiomatemtico. Algunos sistemas son cercanos aexpansiones y contracciones adiabticas, es decir, un ingeniero desea que la mayor parte de la energa se convierta en trabajo y muy poco se transforme en calor, de allque muchos sistemas mecnicos como los motores incluyan procesos cercanamenteadiabticos en sus funcionamientos.

    Otra caracterstica primordial del proceso adiabtico es que las tres variablescambian, se ve un cambio de presin, uno de volumen y un cambio de isoterma. El

    manejo matemtico de encontrar el rea negativa bajo la curva adiabtica es un doloren el trasero a nivel matemtico, ya que requiere cierto conocimiento de derivadas, el primer paso ser determinar la contante PV a la gamma.

    k = Constante

    Clculo de la Constante Presin, Volumen, Gamma

    Imaginarse un gas que experimenta un proceso adiabtico a nivel infinitesimalcondicin necesaria para la posterior integracin tanto en la presin como en latemperatura como en el volumen. Debido a que la energa interna de un gas ideal

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    depende solo de la temperatura, el cambio en la energa interna de un procesoadiabtico es el mismo que para un proceso isocrico dentro de las mismastemperaturas.

    Eint = Q

    Luego, se puede calcular el calor a travs de la frmula para el calor especfico:

    Q = cvn T

    Pero alterando el cambio de temperatura a un nivel infinitesimal.

    Q = cvn T

    Entonces, la energa interna de un proceso adiabtico se calcula con laexpresin del calor aunque el calor en si no sale y no entra en el proceso.

    Eint = cvn T

    Esto es algo paradjico ya que en el proceso adiabtico Q es igual a 0, mientrasque la energa internase calcula con la expresin para Q del proceso isocrico. Entodo caso, el siguiente paso es utilizar la primera ley de la termodinmica aplicada alos gases en un pistn.

    Eint = Q + W Si Q = 0 entonces

    Eint = W Forma infinitesimal

    Eint = W

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    Se reemplaza el cambio infinitesimal en el trabajo por su expresin en trminosde presin y volumen

    Eint = - p V

    Se reemplaza la energa interna por su expresin en trminos del calorespecifico de un gas a volumen constante cosa que solo se puede hacer en el procesoadiabtico donde su energa interna es equivalente y se calcula con la expresin delcalor en el proceso isocrico

    cvn T = - p V

    Por otra parte se debe emplear la ecuacin de ley de los gases ideales, pero noest.

    pV = nRT

    Si no su forma diferencial que es esta.

    p V + V p = nR T

    Se retoma la ecuacin de la energa interna y se despeja moles por el cambioinfinitesimal de la temperatura.

    n T = - p V / cv

    Ahora se reemplaza los moles por el cambio infinitesimal de la temperatura en

    la ecuacin infinitesimal de la ley de los gases ideales.p V + V p = - p V / cv

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    Tambin se sabe que la constante R es igual a la diferencia de los caloresespecficos a presin y volumen constante.

    R = cp - cv

    Se reemplaza.

    p V + V p = (- p V / cv) * (cp - cv)

    Se resuelve el factor comn de los calores especficos pero dejando por fuera a presin por el cambio infinitesimal en el volumen.

    p V + V p = (- p V) * (cp/cv - cv/cv)p V + V p = (- p V) * ( - 1)

    Ahora se reorganizan las variables con respecto a sus cambios.

    p V + V p = - p V ( - 1)

    p V/p + V p/p = - V ( - 1)

    V + V p/p = - V ( - 1)

    V/V + V p/Vp = - V/V ( - 1)

    V/V + p/p = - V/V ( - 1)

    V/V + p/p = - V/V ( - 1)

    Se resuelve

    V/V + p/p = - V/V ( - 1)

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    V/V + p/p = - V/V + V/V

    V/V - V/V + p/p = - V/V

    p/p = - V/V

    p/p + V/V = 0Se integra

    p/p = - V/V

    p/p + V/V = 0

    p/p + V/V = 0

    Primero, si bien cuando no hay cambio, se dice que el cambio es cero, alintegrarla la funcin que genera es una constante indeterminada.

    p/p + V/V = k

    Luego se integra la parte izquierda.

    ln p + lnV = k

    Lo cual es equivalente a

    pV = k

    Trabajo Hecho por un Proceso Adiabtico

    Se recordar que la definicin de trabajo para un pistn lleno con un gas ideales la siguiente.

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    Ahora, se toma la constante que se puede memorizar fcilmente, PV a la gamma

    y se despeja P.

    pV = k

    p = k/ V

    Se reemplaza p en la definicin de trabajo para un pistn lleno con un gas ideal.

    Se integra.

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    CONCLUSIONES

    Una buena conclusin resume los puntos principales del trabajo y deja al lectorcon una ltima impresin. Una conclusin es naturalmente la ltima parte de untrabajo y por ello es la ltima cosa que un lector revisa. A continuacin se exponenlas conclusiones de la presente investigacin: 1. Gas natural es una mezcla de hidrocarburos ligeros compuesto principalmentede metano, etano, propano, butanos y pentanos. Otros componentes tales como el

    co2, el helio, el sulfuro de hidrgeno y el nitrgeno se encuentran tambin en el gasnatural.2. El sistema despresurizacin de un complejo de compresin est constituido en primera instancia por las vlvulas de cierre rpido, que permiten el cierre de lasuccin y descarga de las plantas compresoras y las vlvulas de purga o aperturarpida, que con su apertura permiten la comunicacin de todas y cada una de laslneas de transmisin de gas.3. La prdida del suministro elctrico, afecta la continuidad de las operaciones dela planta, debido a la falta de energa requerida por los motores elctricos deenfriadores, compresores, bombas de aceite lubricante, ocasionando el paro generalde todas las instalaciones involucradas en el proceso.4. Si un gas se expande a travs de un inyector, de un orificio, o del extremo deuna tubera, su velocidad y volumen especfico aumentan, mientras que su presinvara en sentido descendiente. Para un sistema dado de condiciones aguas arriba del proceso (usando el ejemplo de un inyector), el caudal o la tasa de flujo que atraviesa

    el inyector aumentar hasta que se alcance una velocidad limite en el liquido quefluye en esa direccin, esta velocidad limite no es mas que la velocidad del sonido yel caudal que corresponde a esta velocidad se conoce como caudal critico.

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    RECOMENDACIONES

    1. El sistema de despresurizacin de una planta compresora debe poseer unsistema automatizado.2. El sistema de despresurizacin debe funcionar de manera manual remota.3. Para eliminar la quema de gas con presencia de humo y estndares bajos decombustin, se hace necesario un sistema automatizado y la asistencia por aire.4. El escenario crtico para la despresurizacin de las plantas se presenta cuandoexiste una falla elctrica general, de all la importancia de mantener un control eldicho sistema.5. La posible formacin de hidratos durante el proceso de despresurizacin seevidencia solo en la etapa de presin de 1300 Lpca.

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    REFERENCIAS

    Garca, J. L. (2010).Trabajo hecho por un proceso adiabtico. Documento en lneadisponible en http://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2012/05/trabajo-hecho-por-un-proceso-adiabatico.html

    Garca, J. L. (2010).Clculo de la Constante Presin, Volumen, Gamma . Documentoen lnea disponible en http://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2012/05/trabajo-hecho-por-un-proceso-adiabatico.html

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