CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 1JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ MEDICIN DEL GAS NATURAL Hoy en da, la preocupacin mundial por mejorar la exactitud de la medicin del flujo por la importancia que tiene en las transacciones comerciales, control de variables de procesosindustrialesycontroldeemisionesalmedioambienteexigeunanlisis cuidadosodeltemaparacomprendermejorlastecnologasmodernasyseleccionar correctamente los equipos mas apropiados.

Generalidades de la medicin de flujo. El flujo representa un movimiento y puede decirse que una sustancia fluye cuando se mueve de un lugar a otro. El estudio de la medicin del flujo requiere en principio una clara comprensin de cul es la causa que produce el flujo. La fuerza que causa que los fluidos se muevan es debida a un cambio o diferencia de presin. El estudio de la medicin del flujo se relaciona con los conceptos de presin esttica, presin dinmica y presin diferencial. La presin esttica puede definirse como la presin ejercida por los fluidos en reposo. La presin dinmica es aquella que resulta de la transformacin de la energa cintica del fluido en energapotencial, esdecir,eslapresincausadaporel movimientode losfluidos,porejemplo:Debidoalagravedadoporlaaccindeunabombao compresor.Lapresindiferencialesladiferenciaentrelasdospresioneslacualse usa frecuentemente para determinar la tasa de flujo del fluido. Elconceptodetasadeflujoylasformasdemedirla.Latasadeflujoesel cociente entre la cantidad de fluido que pasa a travs de la seccin transversal de una tubera y el tiempo empleado en este flujo. Tasa de flujo volumtrico.Es el volumen de fluido que pasa a travs de una tubera enunperiodoespecficodetiempo,yseexpresageneralmenteenunidadescomo galones/minutoopiescbicos/segundo.Losdosmtodosmsfrecuentemente usadosparainferirlatasavolumtricasonlamedicindelapresindiferencial alrededor de una restriccin en la tubera y la medicin de la velocidad de la corriente amedidaquepasaporunatuberadereatransversalconocida.Enestesegundo mtodolatasavolumtricasecalculaentoncescomoQ= AxV donde Qeslatasa volumtrica,AeselreatransversadelatuberayVeslavelocidaddeflujo.Otro mtodocomneselusodeunmedidordealpositivo,elcualmidedirectamenteel volumencontandovolmenesdiscretosdefluidoamedidaqueestevapasadoa travs del medidor. Tasa de flujo msico.Es una medida de la cantidad de masa que pasa por un punto especficoduranteunperiododetiempo.Estatasafrecuentementeseinfiere conociendo la tasa volumtrica y la densidad del fluido as: W = Q * donde W es la CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 2JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ tasa de flujo msico, Q es la tasa de flujo volumtrico y p es la densidad. Para inferir esta tasa debe considerarse el efecto de la temperatura y la presin sobre la densidad delfluido,especialmenteenlamedicindegases.Enestoscasosdeben compensarse los cambios en la densidad causados por otras variables del proceso. Unamedicinmsexactadelflujomsicosehaceconmtodosdirectos,loscuales eliminanlanecesidaddehacercompensacinporpresinytemperaturaenlas lecturas del medidor. Bsicamente hay dos tecnologas de medicin directa: el mtodo deCoriolis(consideradocomolaformamsexactademedirelflujo),yelmedidor msico por dispersin trmica. Importancia de la medicin del flujo.Es de gran importancia medir la tasa de flujo conelfindeconocerlacantidaddemateriaqueentraysaleenlosprocesos industriales.Sinlamedicindeflujoseraimposiblehacerbalancesdemateria, ejercer un control de calidad y mantener en operacin los procesos. Ninguna otra variable es ms importante en la operacin de una planta. En la mayora deprocesos,laadecuadaregulacindelastasasdeflujopermitecontrolarla velocidad de las reacciones y controlar otras variables como la presin, la temperatura y el nivel. La importancia del control del flujo se refleja en el crecimiento del mercado mundial de los medidores de flujo. Talvezdebidoalaimportanciadelamedicindelflujo,serequiereunaltonivelde confidencia. La temperatura puede variar unos pocos grados o la presin puede variar unas pocas libras, sin que se afecte la cantidad de producto. Sin embargo, el flujo s debemedirsecongranexactitudpuestoqueanpequeoserrorespuedencausar grandes prdidas de dinero. Laexactamedicindelflujotieneunimpactodirectosobrelaconservacindela energa. En la industria automotriz por ejemplo, se necesitan mediciones de flujo muy precisasparareducirlasemisionesatmosfricasyelconsumodecombustible.Debido a que la legislacin ambiental es cada vez ms estricta, las poblaciones y las industrias han visto la necesidad de medir sus descargas con exactitud, por lo cual la medicindelflujosehaconvertidoenunaoperacinesencialenelcontroly tratamiento de los residuos industriales. A pesar de la importancia que tiene la medicin del flujo, en la industria actual muchas vecesnoseledaeldebidoreconocimiento.Porejemplo,enlaindustriadelgas natural, cuando estaba en auge la construccin de gasoductos en Estados Unidos en losaos40y50,existaundepartamentodemedicincomo entidadindependiente.A partir de los aos 70 y 80, cuando comenz el uso de los computadores electrnicos de flujo, se produjo una disminucin de la importancia de la medicin de flujo para la industriapuestoquelosdepartamentosdemedicinsereemplazaronporequipos cuyos miembros tenan una gran cantidad de tareas asignadas en la operacin de los gasoductos.De esta forma se redujeron los especialistas en medicin de flujo a nivel CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 3JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ deoperacionesdecampoylamedicindelflujopasaserunapequeareadel departamento de operaciones o del departamento de Ingeniera en las compaas. Unodelosprincipiosbsicosdelatermodinmicaesquelamasaesuna cantidadqueseconserva;esteeselprincipiodecontinuidadenmecnicade fluidos. Borda en 1766 demostr que la contraccin de una corriente influa en la tasa de flujo a travs de un orificio y que se produca una prdida de energa.En 1840 el principio de conservacin de la energa se extendi para incluir la energas en forma de calor y trabajograciasalosestudiosdeMayeryJoule.Enestemismoperiodo,Weisbach popularizelusodelaecuacindeBernoullienlosanlisisdelflujo.En1895, Herschel invent el medidor de Venturi para la medicin de lquidos. Ya en el siglo 20, Buckingham,BeanyBeitlerdeterminaronloscoeficientesdedescargaenorificiosy boquillas. Factoresqueafectanlamedicin. Es necesario conocer laspropiedades bsicas de los fluidos y de la mecnica de fluidos; las propiedades y caractersticas fsicas que deben considerarse son: -Composicinyestadodelfluido:Loscambiosenlacomposicinalteranlas propiedades fsicas.El rendimiento de un medidor se afecta por la entrada de gas, la solidificacin del fluido y la presencia de partculas erosivas o corrosivas. -Viscosidad:Loscambiosdeviscosidadpuedencausarcambiosdecalibraciny fugas por el medidor.Los aumentos de viscosidad producen aumento de la cada de presin causando daos en los medidores. -Densidad:Loscambiosdedensidadalteranelvalordelamasainferidaenlos medidoresvolumtricosyenlosmedidoresdevelocidadsincompensacinpor presin y temperatura. -Gravedad especfica: Debido a la importancia que tiene la densidad en el flujo de fluidos,esconvenienteelusodelagravedadespecificaparasimplificarlos clculos de medicin. -Compresibilidad: En la medicin de gas, la compresibilidad es definitivamente un factorsignificativoydebeconsiderarse,puestoqueelerrordemedicinesalto cuandosemidengasesnoidealessinhacercompensacinporpresiny temperatura.Enlasmedicionesdeflujoporpresindiferencial,elfactorde compresibilidadZdebecalcularseentodosloscasosyaqueelporcentajede error puede ser muy grande. -Temperatura:Afectalaviscosidad,ladensidad,elnmerodeReynoldsyla compresibilidad,locualalteraelrendimientodelosmedidores.Laexpansin trmica del material del medidor tambin altera su rendimiento. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 4JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ -Presin: afecta la densidad, la gravedad especifica y la compresibilidad del fluido.Suefectoesdespreciableenloslquidos(exceptoaaltaspresiones)perodebe tenerse muy en cuenta en la medicin de gases y vapores. -NmerodeReynolds:Laexactituddelamedicinseafectacuandoelflujose compone de varias corrientes que se mueven con velocidades diferentes. -Velocidaddelfluido:Yaquenosedancondicionesdeflujolaminar frecuentemente,entoncespocasmedicionesdeflujosehacenenestas condiciones.Por consideraciones econmicas la mayora de mediciones se hacen en condiciones de flujo turbulento (a velocidades bajas se requieren tuberas ms costosas).Losclculosdeflujoporplatinadeorificio,requierenqueelflujosea turbulento.Sinembargo,esmsventajosousarmedidoresdepresindiferencialadecuadosparaflujolaminarynoparaflujoturbulento.Porotraparte,lasaltas tasas de flujo pueden causar altas cadas de presin que pueden daar el medidor o aumentar los costos operacionales por concepto de energa. Debidoalosfactoresanterioreslosmedidoresvolumtricosdebentener compensacinmatemticaporloscambiosdepresin,temperaturay composicin. Leyesyecuacionesbsicasdelamedicindelflujo.Serefieren fundamentalmente a la aplicacin de las leyes de conservacin de masa y energa en la mecnica de fluidos. -Continuidadyleyesdeconservacindelamasa:Considerandoelflujoa travs del volumen de control mostrado en la figura 1, la ecuacin de continuidad puede expresarse como: 2 2 2 1 1V A V A = (3.47) donde : = densidad del fluido (gr/cc) A= rea transversal al flujo (cm2) V= velocidad del fluido (cm/seg) Estaecuacindescribeelflujoestable,esdecir,latasadeflujoencualquierrea transversal es constante (para un fluido incompresible, 1 = 2 por lo cual A1V1 =A2V2

y como Q = V*A,Q1 = Q2, donde Q es la tasa volumtrica de flujo). -BalancedeenergayecuacindeBernoulIi:Todalaformulacindelflujode fluidos en un conducto cerrado se basa en el teorema de Bernoulli, el cual expresa CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 5JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ queenelflujoestable,sinfriccinlasumadelaenergapotencial,laenerga cinticaylaenergadeflujoesconstanteencualquierpuntodelacorrientede fluido. E = Ep+Ek+Epr(3.48) donde : Ep= Energa potencial, definida como Ep = gz. Ek= Enega cintica, definida como Ek = V2 Epr= Energa por presin, definida como Epr = P/. La ley de la conservacin de la energa, aplicada al flujo de un fluido entre dos puntos fijos 1 y 2 puede ser expresada como: E1 + Em = E2 + Eh, donde, E1 y E2 se definen por la ecuacin 3.48.Em representa la energamecnicatransferidahaciaodesdeelfluidoporunabomba,turbinao compresor en el sistema. Eh representa la energa perdida por unidad de masa debido alafriccin.RemplazandoE1yE2porsusdefinicionesydividiendoporg(paraun fluido ideal sin friccin), se obtiene la ecuacin de Bernoulli: , ' 2221' 12112 2h mEgPgVz EgPgVz + + + = + + + (3.49) donde: gEE ygEEhhmm= =' ' -Ecuacin de momento: La fuerza neta aplicada a una masa de fluido es igual a la tasadecambiodelmomentorespectoaltiempo.Conbaseenlafigura1,esto puede expresarse como: ( ) ( )=dtV dt V A V dt V AF1 1 1 1 2 2 2 2 (3.50) donde: F= Fuerza neta que acta sobre la porcin de fluido entre los puntos 1 y 2 dt= Incremento de tiempo (pVAdt)V = momento alrededor de A Los medidores de flujo. Definiciones.Deacuerdocon WILLER,lasnicasdefinicionesstandarddisponibles son las dadas en el documento ISA 51,1(1976): CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 6JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ Medidordeflujo:Esundispositivoquemidelatasadeflujoolacantidaddeun fluido que circula por un conducto abierto o cerrado. Consiste de un elemento primario y un elemento secundario. Puede identificarse un medidor de flujo porsu fundamento terico(medidordepresindiferencial,velocidad,rea,fuerzaetc.),oporsu tecnologa (medidor de orificio, turbina, vrtex, ultrasnico, etc.) Elementoprimario: Es el dispositivo que produce una seal relacionada con el flujo del fluido de acuerdo con leyes fsicas conocidas. Elementosecundario:Eseldispositivoqueconviertelasealenviadaporel elemento primario, en una seal de salida proporcional a la tasa de flujo. Elmedidordeflujouniversal.Actualmentehaymuchastecnologasdistintaspara medirelflujoenconductoscerrados.Estagranvariedaddificultalaseleccindel medidor apropiado para cada aplicacin. Un concepto popular durante los aos 80 fue el del medidor universal. De acuerdo con PERRY, este medidor ideal, debera: -Tener alta exactitud en un amplio rango de condiciones de operacin. -Medir fluidos monofsicos y multifsicos. -Poderserinstaladoencualquierpartedeunalineasintenerquedetenerel proceso. -Funcionar confiablemente por muchos aos sin requerir mucho mantenimiento. -Producir baja cada de presin. Sinembargo,annoexisteunmedidorconestascaractersticas.Porahorapuede decirsequeelmedidorvolumtricouniversalestalvezeldevrtex,ysiserequiere alta precisin, lo mejor es un medidor msico de Coriolis. Seleccin de los medidores de flujo.Debido a la gran variedad de tecnologas que hayparala medicin, laseleccinadecuadasecomplica porlacantidadde factores que deben considerarse. DeacuerdoconREEVE,enunarevisindemilinstalacionesdemedidoresen EstadosUnidos,seencontrqueenel60%elmtodoseleccionadonoeraelmas adecuadoyadems,enun60%delasaplicacionesdondeseuselmedidor adecuado, la instalacin era incorrecta. Los criterios principales para la seleccin son: -Tipodefluidoycondicionesdelproceso:Elfluidopuedeserliquido,gaso vapor (saturado o sobrecalentado); puede ser newtoniano o no newtoniano, limpio, sucio,corrosivo,criognico,erosivo,viscoso,opuedecontenerslidosdisueltos. El flujo puede ser monofsico, bifsico o trifsico. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 7JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ -Propsito dela medicin: Determina la exactitud requerida. El motivo puede ser el control, la totalizacin, la transferencia de custodia o la indicacin local. -Rendimiento: Exactitud, rango de medicin, velocidad de respuesta, repetibilidad, cada de presin, linealidad, seal de salida, incertidumbre (error), y materiales de construccin. -Instalacin: Tamao delalneade flujo,orientacinverticaluhorizontal,efectos delavibracinydelflujooscilante,cavitacin,presenciadecampos electromagnticos, ambiente hostil, accesorios corriente arriba y abajo del medidor y energa disponible. -Consideracionesambientalesydeseguridad:Aislamientotrmicorequerido, humedad, emisiones fugitivas, proteccin contra rayos y clasificacin del rea. , -Consideraciones econmicas: Costo del medidor, de instalacin, de energa, de bombeoydemantenimientoyreparacin. Disponibilidad derepuestosypersonal capacitado. Clasificacin delos medidores deflujo.Una de las clasificaciones ms modernas ycompletassehacesegnlamedicinrealizada.DeacuerdoconSPITZER,los medidores se clasifican en: -Medidoresvolumtricos:Lamedicindeseadaeselvolumen.Sonlosmedidores de desplazamiento positivo. -Medidoresdevelocidad:Midenvelocidaddelfluidoparainferirelvolumen conociendo el rea de flujo; comprenden los medidores magnticos, de turbina, los ultrasnicos, de vrtex ylos oscilatorios. -Medidoresinferenciales:Producenunasealdesalidadelacualseinfierela tasa de flujo. Comprenden los medidores de presin diferencial (platina de orificio), los de reavariable y los de target. -Medidores msicos: Miden flujo msico en lugar de flujo volumtrico. Entre estos estn los medidores de Coriolis y los trmicos. Perspectivasdelfuturodelosmedidoresdeflujo.Lamedicindelflujoesel renglnmsimportanteenlainstrumentacinyenelfuturoprximoseesperan avancesen elacondicionamientodelaseal,medidoresvolumtricosinmunes alas condicionesdelproceso,microprocesadores,miniaturizacin,exactitudyrangosde operacin,controlremoto,autodiagnstico,softwaredecontrol,semiconductoresy materiales. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 8JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ Particularidades de la medicin del flujo de gas natural. Acontinuacinseexponenlasrazonesporlascualessejustificaestudiarpor separado lo relacionado con la medicin del gas natural y se describenlas diferentes tcnicas y tipos de medidores. Importanciadelamedicin.Adiferenciadeotrosproductos,elgasnaturalnose almacenaendepsitosdondepuedainventariarse,(exceptoenalmacenamiento subterrneo,enacumuladoresenestacionesde GNVyenloscilindros devehculos que funcionan a gas).Por el contrario, la medicin de las compras y entregas de gas se hace en una corriente fluyendo en una lnea, por lo cual es muy importante medir conexactitudelgastotalquepasaporunaseccindadadetuberaenuntiempo dado.Unerrordesloel1%enlamedicindegasnaturalenunalneaque transporta y vende 300 MM de pies cbicos por da a los precios actuales, sumar una prdida para el comprador o para el vendedor, de aproximadamente dos millones de dlares anuales. Probablemente el rea ms vital en la industria del gas natural es la medicin del flujo con alta exactitud y a los menores costos posibles. Debido a la alta competencia por las oportunidades de venta del gas en los mercados actuales, hoy ms que nunca es muy importante la medicin exacta. Tiposdemedidores.Los mtodoscomunesde medicinpuedenagruparseendos categoras: medidores de cantidad o desplazamiento, y medidores de tasa de flujo. -Medidoresdecantidadodesplazamiento.Midenelvolumendegasenpies cbicosquehanpasadoporelmedidorenuntiempodado.Cuandoelgaspasa porelmedidorloscompartimentosdevolumenconocidosellenanysevacan alternadamente.Se suma la cantidad de gas desplazado en un tiempo dado. -Medidoresrotatoriosdeimpulsor: Tiene dos impulsores que giran en direccin opuestadentrodeunacarcaza.Amedidaqueunimpulsorgira,elvolumen medidoenelcompartimentosedescargaporlaparteinferioraunavelocidad proporcional al volumen de gas. -Medidoresrotatoriosdehlice:Lashlicesrotanyencadarevolucinel medidor mide cuatro veces el volumen de gas requerido para llenar la cmara. -Medidordepruebahmedo:Eselmsantiguo.Hoyseusacomomedidorde prueba en el campo o en laboratorio. -Medidoresdediafragma:Es el tipo ms comn, utilizado en la medicin de gas domiciliario. Usa dos diafragmas para separar cuatro compartimentos de medicin.El movimiento de un diafragma de un lado al otro permite que un compartimento se llene mientras el otro se vaca. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 9JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ Medidores de tasa de flujo.Miden la tasa de flujo instantnea en pies cbicos/hora; nooperaconporcionesdefluidosinocontodalacorrientepasandocontinuamente porelmedidor.Infierenlatasadeflujoapartirdelainteraccinentreelflujoyel elemento primario. La tabla 3.3 resume los medidores de tasa de flujo ms usados en la medicin de gas. Otros medidores de velocidad muy usados en el transporte de gas en Colombia, son las turbinas de flujo dual. Medicin electrnica del gas. Hoy da es esencial; consiste de un elemento primario (orificio,turbina,diafragma)yunelementosecundarioquemidedatosdepresin esttica,temperaturaypresindiferencial.Elelementoterciarioesuncomputador electrnico para calcular el flujo con la informacin dada por el elemento primario y el secundario. Futuro dela medicin del gas.La investigacin est jugando un papel significativo eneldesarrollodeavanzadastecnologasdemedicindelgasnatural.Laindustria del gas se beneficiar del uso de nuevas tecnologas. Desarrolladas en las siguientes reas de investigacin: Medicin en transferencia de custodia: Eliminar errores en medidores deplatina de orificio,revisarlasnormasrespectoalosorificiosydeterminarlosefectosdela instalacin en su rendimiento. Mantenimiento: Lograr mejoras en el rendimiento y exactitud para reducir los costos de operacin y mantenimiento. Diseodemedidoresylamejoraenlaexactitud,reducirelcostodelgasparael consumidor final. Medidores de tasa de flujo mas usados en la medicin de gas. MEDIDORPRINCIPIOVENTAJASDESVENTAJAS Presin diferencial (orificio,tubo venturi) Ladiferenciade presines proporcionalala raz cuadrada dela velocidad de flujo. Bajocosto,buena exactitud,confiabilidad, resistente,notiene partesmviles, calibracinsencilla, adaptableatodo tamaodelnea, inmune a sobrecargas Rangodemedicin, cadadepresin, escala cuadrtica, difcil medicindebajos flujos,difcil interpretacinde cartas,desgasteenla platinadeorificioy requerimientosde tubera. rea variableLaposicindeunCosto,rangodeRiesgoderotura, CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 10JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ (rotmetro) flotadordentrode un tubo de vidrio se relacionaconla tasa de flujo. medicin,cadade presin,medicinde bajos flujos.exactitud,limitadoa lneasdebajo dimetro.Velocidad * (vrtex) Uncuerpogenera remolinosconuna frecuencia proporcionalala tasa de flujo. Rangodemedicin,no tienepartesmviles, cada de presin. Costo,requerimientos detubera,aplicacin limitada. Tecnologasmseconmicas:Medicinelectrnicaparamedidoresdeplatinade orificio,usodelatecnologacatalticacomoalternativaenelusodecromatgrafos costosos, uso de medidores ultrasnicos para reducir los costos de medicin y uso de medidoresdediafragmaexactos,pequeos,livianosyeconmicosparauso residencial. Medicin del flujo volumtrico y del flujo msico. Inconvenientes y desventajas de la medicin del flujo volumtrico. Losinconvenientesquesepresentanconlosmedidoresvolumtricos,tales como: Inexactitud, acondicionamiento del flujo y altos costos de mantenimiento, se producen principalmente por dos razones: . -Lamedicinvolumtricadelflujonoesdirectasinoqueseinfieremidiendola velocidadyconociendoelreatransversaldelmedidor.Tericamenteestoes correctoperoenlaprcticaesdifcilcontrolarlamedicininstantneadela velocidad. -Elrendimientodeunmedidorvolumtricosebasaenlascondicionesde referencia;estascondicionesdefinenlaspropiedades del fluido bajolascuales el medidorsecomportardeacuerdoconlas especificacionesdel fabricante.Como lascondicionesdeoperacinnoemulanlascondicionesdereferencia,anun mnimocambiodelaspropiedadesafectaelrendimientodelmedidoryobligaa recalibrarlo. Se requiere que los fluidos sean homogneos y newtonianos, y que el flujo sea estable y turbulento. Otros factores que reducen el rendimiento de los medidores volumtricos son: -Alteracin del perfil de flujo: Los cambios en las propiedades fisico-qumicas del fluido alteran el perfil de flujo, debido a la influencia del Nmero de Reynolds. Para fluidos Newtonianos, en el rgimen laminar la velocidad es mayor en el centro que cerca a la pared de la tubera. En la zona de transicin el flujo volumtrico es muy CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 11JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ difcil;enelflujoturbulentolavelocidadesrelativamenteigualenelcentroque cercaalapareddelatubera.Lascondicionesdereferenciasebasanenlos perfilesdeflujoturbulento.ElnmerodeReynoldsasuvezseafectacuando cambia la viscosidad, la densidad y la velocidad del fluido. -Configuracindelalneadeflujo:Losaccesoriosdelalneapuedenproducir flujossecundarios,variacindelperfildeflujoyremolinos;paraeliminarestos efectosdebeacondicionarsey'enderezarse'elflujousandounionesoinstalando corrientearribaunatuberarectadeunalongitud10-150vecesmayorasu dimetro, lo cual resulta costoso y produce cadas de presin adicionales. -Flujonohomogneo: La exactitud de los medidores volumtricos depende de la homogeneidaddel fluido;sinembargo,la mayorade fluidosnosonhomogneos debidoaquesonmezclas,contienengasesosonsoluciones.Lasfluctuaciones del flujo y la cavitacin tambin reducen el rendimiento de los medidores. Enlaprctica,cuandoloscambiosenlascondicionesdelprocesoafectanel nmero de Reynolds, las condiciones de flujo estable o los perfiles de velocidad, el usuarionoadviertenimideestoscambios,sinoquereportaqueelmedidorest fallando y requiere calibracin. Medicinvolumtricadelgasnatural.Lavariacindelaspropiedadesyla composicindelgasafectademanerasignificativalamedicinvolumtrica.La densidaddelgaseslapropiedadmsimportanteenlamedicindelflujoyla calibracindelosmedidores,yvariadeformanolineal(aligualqueelfactorde desviacinZ)debidoaloscambiosdepresinytemperatura.Lamedicindelgas requieremedirconstantementetemperatura,presindiferencialypresinestticaparahacerlacorreccinnecesaria.Estanecesidaddeconocercontinuamentelas propiedadesdelgas,ylainexactituddelamayorademtodosusadospara determinarlas, ha llevado al uso del computador de flujo. Laconversindelflujovolumtricomedidoalascondicionesstandardinvolucraal menostresvariables,loqueaumentalasfuentespotencialesdeerror.Porejemplo, una tasa de flujo volumtrico de 33 pies3/mnuto de CO2 medidos a 75F y 420 psig se convierte en una tasa volumtrica corregida de 100 pies3/mnuto a 68 F y 1 atm; la correccinnecesariaestenunarelacinde30:1demodoquecualquierpequeo error en la medicin de presin, temperatura y flujo a condiciones de lnea, introducir unerrorapreciableenlacorreccindelatasadeflujo.Elerrorcomnalhacerla correccin de volumen en gases es del 1% - 3%.La medicin directa de masa elimina lanecesidaddelacorreccinobtenindosemsexactitud;enelejemploanterior usandounmedidormsicodeCorioliselerrordelamedicinsereduciraaun 0.52%. Mediciones especficas en la industria del gas natural y de otros hidrocarburos. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 12JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ Resulta de inters para la industria del gas las aplicaciones en el sector transportey petroqumico en donde se requiere un especial cuidado en la medicindel flujo. Medicindegasnaturalcomprimido(GNC).Estasaplicacionessonunretopara cualquiermedidor de flujoporel ampliorangode presin,caudalyalgunoscambios de temperatura. La medicin volumtrica se dificulta debido a la correccin por factor Z. Por ejemplo el gas natural a 50F, 2000 psi y GE = 0.7 tiene un factor de Z de 0.6;siestefactornosetieneencuentalamedicinvolumtricaresultaaltaenun 40%.La dificultad de la medicin volumtrica es muy alta teniendo en cuenta que las presionespuedenllegara3000psicuando eltanquedecombustibledeunvehculo accionado por GNC est lleno, y que la temperatura cambia segn el nivel de llenado deltanque.Debidoalcambiodevolumenaesasaltaspresiones,elGNCseha medido casi exclusivamente con medidores de Coriolis de 1/4". La exactitud que fijan las normas para medicin de GNC en vehculos es del 1%; con el medidor de Coriolis se obtienen exactitudes tpicas de +/- 0.5% en estas aplicaciones. En las pruebas que el IGT (Instituto de tecnologa del gas) hizo en 1994 con estos medidores para su uso en estas aplicaciones se encontr que a tasas de flujo mayores a 50 lbm/min,el error eradel10%,debidoalaturbulenciadelgas.Lasprincipalesaplicacionesen vehculoshansidoenCanad,Australia,NuevaZelanda,SurAmricaymas recientemente Estados Unidos; los gobiernos de Nueva Zelanda y Canad exigen que el GNC se venda en masa. En estas aplicaciones se tienen presiones hasta de 3600 psi; los caudales iniciales son de unas 25 lbm/min, y van disminuyendo a medida que el tanque se presuriza. Turbinasagasnatural.Estosequiposseempleancomoaccionadoresde compresores de gas en los grandes gasoductos de todo el mundo, alimentndose con una pequea parte del gas natural transportado; la exactitud de la entrada de gas a la turbinaescritica,conelfindemaximizarlapotenciayminimizarlasemisiones. Inicialmente se usaron en esta aplicacin los medidores de presin diferencial y los de vrtex, pero ahora se est obteniendo mayor rendimiento con medidores de Coriolis. DistribucindeGLP.LosmedidoresdeCoriolisseusanenrefineraspara transferir GLP hacia plantas qumicas; all se reduce la cantidad de metano de la corrienteysedespachanuevamentehacialarefinera.Comnmenteenuna corrientedeGLPconcomposicinvariableserequierendosmedidoresde desplazamientopositivo(unoparamedirpropanoyotroparamedirbutanos); unmedidordeCoriolispermitemedirlacorrienteindependientementedela variacin de su composicin. -Otroshidrocarburosgaseososmedidosconxitousandoelmedidorde coriolisson:acetileno,etano,butadieno,hexano,isobutano,metanoy propileno. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 13JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ

MEDICIN DE FLUJO DE GAS Aplicacin 1.Tema: Medidor de turbina 1.Unmedidordeturbinatieneunvalork=12,2cm3/pulso.Determineelvalordel volumen de gas transferido para cada uno de los siguientes conteos de pulso: Determine la rata de flujo, si cada uno de los conteos de pulso ocurre durante un periodo de 140 s. (a) Para 220 pulsos. V= k * No.Pulsos = 12.2 cm3/pulso *220 Volumen = 2684 cm3 (b) Para 1200 pulsos V= k * No.Pulsos = 12.2 cm3/pulso *1200 Volumen = 14640 cm3 (c) Para 470 pulsos V= k * No.Pulsos = 12.2 cm3/pulso *470 Volumen = 5734 cm3

MEDICIN DE FLUJO DE GAS Aplicacin2.Tema:Calculoderatadeflujodegasatravs de orificio La frmula para determinar ratas de flujo de gas a travs de medidores de orificio est dada por: f w hP h C Q * ' = [1] Donde: Qh: Rata de flujo en condiciones base (ft3gas/hora) C: Constante para el orificio de flujo CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 14JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ hw: Presin diferencial, en pulgadas de agua a 60F Pf: Presin esttica absoluta (lbf/pulg2) La constante para el orificio de flujo C se define como: g tf pb bF F F F C * * ' = [2] Donde, Fby : Factor de flujo para el orificio bsico Fpb : Factor de presin base Ftf : Factor de la temperatura de flujo Fg : Factor para gravedad especfica Un operador recoge en campo las siguientes lecturas: 1.Presin diferencial (en pulgadas- a 60F):24 2.Presin esttica (en Psi) 85 3.Gravedad especfica 0.8 4.Temperatura de flujo (en F) 80 5.Tamao (I.D) de la tubera que lleva El medidor (en pulgadas)3.068 6.Tamao del orificio (en pulgadas) 1.5 7.Presin base para el lugar (en Psi) 14.73 Con los valores encontrados hasta ahora, la formula inicial queda: f w hP h Q * 1180 . 1 * 9813 . 0 * 0000 . 1 * 96 . 472 =Para resolver el termino radical se tiene. 9183 . 48 ) 7 . 14 85 ( 24 * = + =f wP h El flujo de gas es: MPCDda gas fthora gas ftQh1 . 609/ 192 , 60924 * 383 , 25/ 383 , 259183 . 48 * 8813 . 518 9183 . 48 * 1180 . 1 * 9813 . 0 * 0000 . 1 * 96 . 47233===== = CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 15JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ Aplicacin : Un operador recoge en campo las siguientes lecturas: 1.Presin diferencial (en pulgadas- a 60F): 31.5 2.Presin esttica (en Psi)97 3.Gravedad especfica 0.790 4.Temperatura de flujo (en F) 65 5.Tamao (I.D) de la tubera que lleva El medidor (en pulgadas)2.300 6.Tamao del orificio (en pulgadas) 0.875 7.Presin base para el lugar (en Psi) 15.025 Calcular el flujo de gas en Miles de pies cbicos por da. Aplicacin:Qupasarasiseestuvieranregistrandolaslecturasdepresin diferencial sobre una grfica de raza cuadrada? Un operador recoge en campo las siguientes lecturas: 1.Presin diferencial (en pulgadas- a 60F): 6.2 2.Presin esttica (en Psi)11.6 3.Gravedad especfica 0.8 4.Temperatura de flujo (en F) 90 5.Tamao (I.D) de la tubera que lleva El medidor (en pulgadas)5.189 6.Tamao del orificio (en pulgadas) 3.0 7.Presin base para el lugar (en Psi) 15.025 Calcular el flujo de gas en Miles de pies cbicos por da. CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 16JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 17JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 18JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 19JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 20JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 21JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 22JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ MEDICIN DE FLUJO DE GAS Aplicacin 3.Tema: Medidores de masa trmicos El siguiente termmetrode resistencia (RTD) se usa en un medidor de masa trmico. El puente que se muestra se usa con el fin de obtener un voltaje de salida antelos cambios de resistencia sufridos por un termmetro Pt-100. R1=196 O R3=R4= 98 O eex= 18V (a) Cul debe ser el valor del potencimetro Rc2 para balancear el puente a 0C, si el potencimetro Rc1 se ajusta en 1 O? (b) QusalidageneraelpuentealaumentarlatemperaturasobrelaRTDa 45C?(Asuma constantes tpicas para Pt-100) Solucin: a)como R4 y Rc1 estn en paralelo, tenemos una resistencia equivalente de: 24 14 1980.9899cacR RRR RO= = = O+ O Ahora como la resistencia PT-100 tiene un valor de 100O para una temperatura de 0C,y como R3 y Rc2 estn en paralelo tenemos CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 23JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ ( ) ( )3 2 23 2 222122 222 22 298y como:989898 0.98196 10098 9898 98 196 98196 9898 196980.50 0.50195c cbc cca b ccc ccc cc cR R RRR R RRR R RR RTDRR RRR RR R= =+ ++ O= = O OO =+ =O ++ == = = O b)asumiendo la constante americana o=0.00392 tenemos: ( )( )01100 1 0.00392 45 117.64117.64R R TRR RTDo = + A = + = O= = O Aplicacin:UnatermocuplatipoJreferenciada70Ftieneunamedidadeemfde salida de2.878mV.Cul es la temperatura en la unin de medida?. Solucin: Realizando la conversin a grados Celsius tenemos. T(C)=(5/9)[T(F)-32F]= (5/9)[70F-32F] =21.1C ComosetratadeunatermocuplatipoJelcoeficienteSeebekes0.05mV/Cdetal modo que: 2.878mV =(0.05mV/C)x(T.-21.1C) =78.66C=173.6F Aplicacin:Sedeseamedirlatemperatura deunproceso de flujodegasutilizando unatermocuplaacopladaaunmedidordemasatrmico.Paraelloseempleauna termocupla tipo J que genera 0.0528 mV/C. Si la unin de referencia se encuentra a temperatura ambiente de 25C y la termocupla genera 1.6 mV, cul es la temperatura delproceso?.Silatemperaturaambientecambiayahoraes17C,culeselvoltaje generadoporlatermocupla?.Escorrectotenerestecambiosilatemperaturadel proceso no ha variado?. Proponga soluciones. Solucin:Como la unin de referencia se encuentra a una temperatura de 25C y la termocuplapresentaunagananciade0.0528mV/C,seencuentraelvoltajequese produce debido a esta temperatura: CURSO DE INGENIERIA DE GAS NATURALINGENIERIA DE PETROLEOS 25 AOS MEDICIN DEL GAS NATURAL 24JOS ALDEMAR MUOZ HERNANDEZ (0.0528mV/C)(25C) 1.32mVrefV = =

Si en estas condiciones la termocupla genera 1.6 mV, entonces la temperatura del proceso referenciada a 0C es: 1.32mV 1.6mV55.3C0.0528mV/CTp+= = Silatemperaturaambientedelaunindereferenciacambiaahoraa17Cyel proceso se mantiene a 55.3C, el voltaje generado por la termocupla es: (0.0528mV/C)(17C) 0.8976mVrefV = = (0.0528mV/C)(55.3C) 0.8976mV 2.0222mVtermocuplaV = = Seobservaqueentremsbajaeslatemperaturadereferencia,elvoltaje generado por la termocupla es mayor, de tal manera que si el voltaje de referencia sellevaa0Celvoltajegeneradoporlatermocuplaserde2.92mV,que corresponde a una temperatura de 55.3C, como se haba calculado. Paraevitarestasvariacionesdevoltajeocasionadasporelcambiodela temperaturadereferenciasepuedeutilizarunbloqueisotrmicoqueesbuen conductor de calor pero elctricamente funciona como un aislante. De esta manera, midiendo la temperatura del bloque isotrmico se puede calcular la temperatura en la juntura caliente J1.