TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela

Por la Br Rojas U Carelia Para optar al Tiacutetulo

de Ingeniero de Petroacuteleo

Caracas 2006

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

TUTOR ACADEacuteMICO Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten TUTORES INDUSTRIALES Ing Gehu Poreza Ing Regina Salazar

Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela

Por la Br Rojas U Carelia Para optar al Tiacutetulo

de Ingeniero de Petroacuteleo

Caracas 2006

AGRADECIMIENTOS

iii

AGRADECIMIENTOS

La elaboracioacuten del presente Trabajo Especial de Grado trae consigo no tan

solo la edicioacuten de este libro sino tambieacuten la culminacioacuten de una carrera profesional

para lo cual han sido muchas las personas quienes me han ayudado y apoyado entre

las cuales me atrevo a nombrar

- Dios Todopoderoso la esperanza de que cada diacutea seraacute mejor que el anterior

- La Universidad Central de Venezuela es un honor haber sido bienvenida en la

casa donde hoy y siempre se venceraacute la sombra

- A mis padres siempre han sido y seraacuten el pilar de fortaleza y amor que me

guiacutea hacia la excelencia Las palabras no son lo suficiente para agradecerles

- A mis hermanas somos tres mejores amigas que se complementan Les doy

gracias por estar ahiacute y ayudarme todas las veces que las necesito las quiero

- A la Facultad de Ingenieriacutea y la Escuela de Petroacuteleo en sus aulas conseguiacute los

mejores profesores que incentivaron mis ganas de aprender

- A mi tutora Profa Noacutelides Guzmaacuten gracias por todo su tiempo paciencia y

dedicacioacuten

- A Pequiven muchas gracias por la oportunidad que me han brindado Ing

Gehu Poreza y Regina Salazar por brindarme toda la ayuda necesaria A la

Gerencia de Operaciones y todas las personas que me tendieron una mano

cuando la necesitaba Asiacute como las personas involucradas en el proyecto Ing

Claudio Passerini Ing Ernesto Silva Ing Alejandro Hernaacutendez

- Mis familiares hermanos tiacuteos primos y cuntildeados siempre apoyaacutendome

- A mis amigos sin ustedes el camino hubiese sido interminable Issa una

amistad invaluable Dani gracias por estar siempre ahiacute Giovanny Santiago

William y Herbert comenzamos juntos y hoy cada quien sigue su camino

gracias por todos los buenos ratos Mayralit Mauricio Miguel Andriuska

Any Ceacutesar Ricardo Leo Rafael E Domingo Lenin Rauacutel A Tato Karen

Julio S Hernaacuten Criseida y Adriana Z amigos inolvidables

RESUMEN

iv

Rojas U Carelia J

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

Tutor Acadeacutemico Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten Tutores Industriales Ing Gehu

Poreza Ing Regina Salazar Tesis Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea

Escuela de Ingenieriacutea de Petroacuteleo Antildeo 2006 124 p

Palabras Claves Tuberiacuteas Horizontales Simulacioacuten de Tuberiacuteas Programa

Pipesimreg2003

Resumen En la industria petroquiacutemica ademaacutes de los procesos mediante

los cuales se obtienen los diversos productos es de vital importancia el control sobre

el sistema de despacho de eacutestos El presente Trabajo Especial de Grado se realiza con

el fin de disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg Se generan soluciones praacutecticas para la

empresa mediante el desarrollo de un disentildeo a grandes rasgos con la ayuda del

simulador permitiendo la caracterizacioacuten de los principales paraacutemetros asiacute como el

caacutelculo de las principales variables del proceso de transporte de los productos a cargar

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico del Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

De igual forma se estudian las opciones ocupacionales para el mencionado muelle

una vez sea puesto en marcha el proyecto que involucra el presente trabajo

RESUMEN

IacuteNDICE GENERAL

v

IacuteNDICE GENERAL

RESUMEN iv

IacuteNDICE GENERAL v

IacuteNDICE DE TABLAS x

NOMENCLATURA xi

INTRODUCCIOacuteN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

METODOLOGIacuteA 5

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL 7 11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 7

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA 7 112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE 7 113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN 9 114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI 9

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR) 9 1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE (FERTINITRO) 10 1143 SUPERMETANOL 10 1144 SUPER OCTANOS 11 1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE 11

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE 13

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA 14

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS 14 1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 14 1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS 17

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS 19 1221 BALANCE DE ENERGIacuteA 19

12211 Balance total de energiacutea 19 12212 Balance de energiacutea mecaacutenica 21 12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema 21

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS 22 12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares 22

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

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Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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Engineers Inc University of Tulsa 1990

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Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

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2006]

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ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

TUTOR ACADEacuteMICO Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten TUTORES INDUSTRIALES Ing Gehu Poreza Ing Regina Salazar

Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela

Por la Br Rojas U Carelia Para optar al Tiacutetulo

de Ingeniero de Petroacuteleo

Caracas 2006

AGRADECIMIENTOS

iii

AGRADECIMIENTOS

La elaboracioacuten del presente Trabajo Especial de Grado trae consigo no tan

solo la edicioacuten de este libro sino tambieacuten la culminacioacuten de una carrera profesional

para lo cual han sido muchas las personas quienes me han ayudado y apoyado entre

las cuales me atrevo a nombrar

- Dios Todopoderoso la esperanza de que cada diacutea seraacute mejor que el anterior

- La Universidad Central de Venezuela es un honor haber sido bienvenida en la

casa donde hoy y siempre se venceraacute la sombra

- A mis padres siempre han sido y seraacuten el pilar de fortaleza y amor que me

guiacutea hacia la excelencia Las palabras no son lo suficiente para agradecerles

- A mis hermanas somos tres mejores amigas que se complementan Les doy

gracias por estar ahiacute y ayudarme todas las veces que las necesito las quiero

- A la Facultad de Ingenieriacutea y la Escuela de Petroacuteleo en sus aulas conseguiacute los

mejores profesores que incentivaron mis ganas de aprender

- A mi tutora Profa Noacutelides Guzmaacuten gracias por todo su tiempo paciencia y

dedicacioacuten

- A Pequiven muchas gracias por la oportunidad que me han brindado Ing

Gehu Poreza y Regina Salazar por brindarme toda la ayuda necesaria A la

Gerencia de Operaciones y todas las personas que me tendieron una mano

cuando la necesitaba Asiacute como las personas involucradas en el proyecto Ing

Claudio Passerini Ing Ernesto Silva Ing Alejandro Hernaacutendez

- Mis familiares hermanos tiacuteos primos y cuntildeados siempre apoyaacutendome

- A mis amigos sin ustedes el camino hubiese sido interminable Issa una

amistad invaluable Dani gracias por estar siempre ahiacute Giovanny Santiago

William y Herbert comenzamos juntos y hoy cada quien sigue su camino

gracias por todos los buenos ratos Mayralit Mauricio Miguel Andriuska

Any Ceacutesar Ricardo Leo Rafael E Domingo Lenin Rauacutel A Tato Karen

Julio S Hernaacuten Criseida y Adriana Z amigos inolvidables

RESUMEN

iv

Rojas U Carelia J

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

Tutor Acadeacutemico Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten Tutores Industriales Ing Gehu

Poreza Ing Regina Salazar Tesis Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea

Escuela de Ingenieriacutea de Petroacuteleo Antildeo 2006 124 p

Palabras Claves Tuberiacuteas Horizontales Simulacioacuten de Tuberiacuteas Programa

Pipesimreg2003

Resumen En la industria petroquiacutemica ademaacutes de los procesos mediante

los cuales se obtienen los diversos productos es de vital importancia el control sobre

el sistema de despacho de eacutestos El presente Trabajo Especial de Grado se realiza con

el fin de disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg Se generan soluciones praacutecticas para la

empresa mediante el desarrollo de un disentildeo a grandes rasgos con la ayuda del

simulador permitiendo la caracterizacioacuten de los principales paraacutemetros asiacute como el

caacutelculo de las principales variables del proceso de transporte de los productos a cargar

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico del Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

De igual forma se estudian las opciones ocupacionales para el mencionado muelle

una vez sea puesto en marcha el proyecto que involucra el presente trabajo

RESUMEN

IacuteNDICE GENERAL

v

IacuteNDICE GENERAL

RESUMEN iv

IacuteNDICE GENERAL v

IacuteNDICE DE TABLAS x

NOMENCLATURA xi

INTRODUCCIOacuteN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

METODOLOGIacuteA 5

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL 7 11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 7

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA 7 112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE 7 113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN 9 114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI 9

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR) 9 1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE (FERTINITRO) 10 1143 SUPERMETANOL 10 1144 SUPER OCTANOS 11 1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE 11

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE 13

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA 14

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS 14 1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 14 1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS 17

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS 19 1221 BALANCE DE ENERGIacuteA 19

12211 Balance total de energiacutea 19 12212 Balance de energiacutea mecaacutenica 21 12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema 21

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS 22 12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares 22

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

BIBLIOGRAFIacuteA

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1992

Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc Graw

Hill 1979

The MW Kellogg Company Design of piping systems 2da edicioacuten Jhon

Wiley and sons

Paper SPE 20631 Xlao JJ Shoham O y Brill JP A comprehensive

Mechanistic Model for Two-Phase Flow in Pipelines Society of Petroleum

Engineers Inc University of Tulsa 1990

Paper SPE 20645 Z El-Oun Gas-Liquid Two-Phase Flow in Pipelines

Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

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Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

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PDVSA httpwwwinteveppdvcomsantppquimicosind_productoshtm

[consulta diciembre 2005]

Wipedia httpeswikipediaorgwikiGolpe_de_ariete [consulta Mayo

2006]

ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

AGRADECIMIENTOS

iii

AGRADECIMIENTOS

La elaboracioacuten del presente Trabajo Especial de Grado trae consigo no tan

solo la edicioacuten de este libro sino tambieacuten la culminacioacuten de una carrera profesional

para lo cual han sido muchas las personas quienes me han ayudado y apoyado entre

las cuales me atrevo a nombrar

- Dios Todopoderoso la esperanza de que cada diacutea seraacute mejor que el anterior

- La Universidad Central de Venezuela es un honor haber sido bienvenida en la

casa donde hoy y siempre se venceraacute la sombra

- A mis padres siempre han sido y seraacuten el pilar de fortaleza y amor que me

guiacutea hacia la excelencia Las palabras no son lo suficiente para agradecerles

- A mis hermanas somos tres mejores amigas que se complementan Les doy

gracias por estar ahiacute y ayudarme todas las veces que las necesito las quiero

- A la Facultad de Ingenieriacutea y la Escuela de Petroacuteleo en sus aulas conseguiacute los

mejores profesores que incentivaron mis ganas de aprender

- A mi tutora Profa Noacutelides Guzmaacuten gracias por todo su tiempo paciencia y

dedicacioacuten

- A Pequiven muchas gracias por la oportunidad que me han brindado Ing

Gehu Poreza y Regina Salazar por brindarme toda la ayuda necesaria A la

Gerencia de Operaciones y todas las personas que me tendieron una mano

cuando la necesitaba Asiacute como las personas involucradas en el proyecto Ing

Claudio Passerini Ing Ernesto Silva Ing Alejandro Hernaacutendez

- Mis familiares hermanos tiacuteos primos y cuntildeados siempre apoyaacutendome

- A mis amigos sin ustedes el camino hubiese sido interminable Issa una

amistad invaluable Dani gracias por estar siempre ahiacute Giovanny Santiago

William y Herbert comenzamos juntos y hoy cada quien sigue su camino

gracias por todos los buenos ratos Mayralit Mauricio Miguel Andriuska

Any Ceacutesar Ricardo Leo Rafael E Domingo Lenin Rauacutel A Tato Karen

Julio S Hernaacuten Criseida y Adriana Z amigos inolvidables

RESUMEN

iv

Rojas U Carelia J

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

Tutor Acadeacutemico Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten Tutores Industriales Ing Gehu

Poreza Ing Regina Salazar Tesis Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea

Escuela de Ingenieriacutea de Petroacuteleo Antildeo 2006 124 p

Palabras Claves Tuberiacuteas Horizontales Simulacioacuten de Tuberiacuteas Programa

Pipesimreg2003

Resumen En la industria petroquiacutemica ademaacutes de los procesos mediante

los cuales se obtienen los diversos productos es de vital importancia el control sobre

el sistema de despacho de eacutestos El presente Trabajo Especial de Grado se realiza con

el fin de disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg Se generan soluciones praacutecticas para la

empresa mediante el desarrollo de un disentildeo a grandes rasgos con la ayuda del

simulador permitiendo la caracterizacioacuten de los principales paraacutemetros asiacute como el

caacutelculo de las principales variables del proceso de transporte de los productos a cargar

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico del Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

De igual forma se estudian las opciones ocupacionales para el mencionado muelle

una vez sea puesto en marcha el proyecto que involucra el presente trabajo

RESUMEN

IacuteNDICE GENERAL

v

IacuteNDICE GENERAL

RESUMEN iv

IacuteNDICE GENERAL v

IacuteNDICE DE TABLAS x

NOMENCLATURA xi

INTRODUCCIOacuteN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

METODOLOGIacuteA 5

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL 7 11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 7

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA 7 112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE 7 113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN 9 114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI 9

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR) 9 1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE (FERTINITRO) 10 1143 SUPERMETANOL 10 1144 SUPER OCTANOS 11 1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE 11

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE 13

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA 14

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS 14 1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 14 1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS 17

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS 19 1221 BALANCE DE ENERGIacuteA 19

12211 Balance total de energiacutea 19 12212 Balance de energiacutea mecaacutenica 21 12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema 21

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS 22 12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares 22

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

BIBLIOGRAFIacuteA

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

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Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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Hill 1979

The MW Kellogg Company Design of piping systems 2da edicioacuten Jhon

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Paper SPE 20631 Xlao JJ Shoham O y Brill JP A comprehensive

Mechanistic Model for Two-Phase Flow in Pipelines Society of Petroleum

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Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

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Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpipesi

m_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

PDVSA httpwwwinteveppdvcomsantppquimicosind_productoshtm

[consulta diciembre 2005]

Wipedia httpeswikipediaorgwikiGolpe_de_ariete [consulta Mayo

2006]

ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

RESUMEN

iv

Rojas U Carelia J

DISENtildeO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE PARA EL DESPACHO DE METANOL MTBE E ISO-OCTANO A TRAVEacuteS

DEL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

Tutor Acadeacutemico Profa Dr Noacutelides Guzmaacuten Tutores Industriales Ing Gehu

Poreza Ing Regina Salazar Tesis Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea

Escuela de Ingenieriacutea de Petroacuteleo Antildeo 2006 124 p

Palabras Claves Tuberiacuteas Horizontales Simulacioacuten de Tuberiacuteas Programa

Pipesimreg2003

Resumen En la industria petroquiacutemica ademaacutes de los procesos mediante

los cuales se obtienen los diversos productos es de vital importancia el control sobre

el sistema de despacho de eacutestos El presente Trabajo Especial de Grado se realiza con

el fin de disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg Se generan soluciones praacutecticas para la

empresa mediante el desarrollo de un disentildeo a grandes rasgos con la ayuda del

simulador permitiendo la caracterizacioacuten de los principales paraacutemetros asiacute como el

caacutelculo de las principales variables del proceso de transporte de los productos a cargar

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico del Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

De igual forma se estudian las opciones ocupacionales para el mencionado muelle

una vez sea puesto en marcha el proyecto que involucra el presente trabajo

RESUMEN

IacuteNDICE GENERAL

v

IacuteNDICE GENERAL

RESUMEN iv

IacuteNDICE GENERAL v

IacuteNDICE DE TABLAS x

NOMENCLATURA xi

INTRODUCCIOacuteN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

METODOLOGIacuteA 5

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL 7 11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 7

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA 7 112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE 7 113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN 9 114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI 9

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR) 9 1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE (FERTINITRO) 10 1143 SUPERMETANOL 10 1144 SUPER OCTANOS 11 1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE 11

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE 13

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA 14

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS 14 1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 14 1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS 17

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS 19 1221 BALANCE DE ENERGIacuteA 19

12211 Balance total de energiacutea 19 12212 Balance de energiacutea mecaacutenica 21 12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema 21

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS 22 12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares 22

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

BIBLIOGRAFIacuteA

Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico 9na

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1992

Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc Graw

Hill 1979

The MW Kellogg Company Design of piping systems 2da edicioacuten Jhon

Wiley and sons

Paper SPE 20631 Xlao JJ Shoham O y Brill JP A comprehensive

Mechanistic Model for Two-Phase Flow in Pipelines Society of Petroleum

Engineers Inc University of Tulsa 1990

Paper SPE 20645 Z El-Oun Gas-Liquid Two-Phase Flow in Pipelines

Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpipesi

m_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

PDVSA httpwwwinteveppdvcomsantppquimicosind_productoshtm

[consulta diciembre 2005]

Wipedia httpeswikipediaorgwikiGolpe_de_ariete [consulta Mayo

2006]

ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE GENERAL

v

IacuteNDICE GENERAL

RESUMEN iv

IacuteNDICE GENERAL v

IacuteNDICE DE TABLAS x

NOMENCLATURA xi

INTRODUCCIOacuteN 1

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS 4

METODOLOGIacuteA 5

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL 7 11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA 7

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA 7 112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE 7 113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN 9 114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI 9

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR) 9 1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE (FERTINITRO) 10 1143 SUPERMETANOL 10 1144 SUPER OCTANOS 11 1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE 11

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE 13

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA 14

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS 14 1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS 14 1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS 17

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS 19 1221 BALANCE DE ENERGIacuteA 19

12211 Balance total de energiacutea 19 12212 Balance de energiacutea mecaacutenica 21 12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema 21

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS 22 12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares 22

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

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[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1992

Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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1990

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Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

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m_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

PDVSA httpwwwinteveppdvcomsantppquimicosind_productoshtm

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ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE GENERAL

12222 Flujo incompresible 22 12223 Tuberiacuteas circulares 22 12224 Fluidos no newtonianos 25 12225 Flujo no isoteacutermico 28 12226 Flujo turbulento 29 12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales) 30 12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento 31 12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar 31 122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas 31 122211 Accesorios y vaacutelvulas 32

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33 1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS 33

12311 Desplazamiento 34 12312 Fuerza centriacutefuga 34

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA 35 1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS 35

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS 36 1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN 36 1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 37

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos 38 1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL CARBONO Y ACERO INOXIDABLE 40

12431 Tubos y tuberiacuteas 41 12432 Juntas 42 12433 Codos y accesorios 43 12434 Vaacutelvulas 44

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS 46 12441 Seguridad 46 12442 Condiciones de disentildeo 46 12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas 48 12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos 49 12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas 50 12446 Soportes de tuberiacuteas 54 12447 Golpe de Ariete 56

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN 57 12451 Soldadura 57 12452 Doblado y formacioacuten 57 12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico 58

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA PIPESIMreg2003 58

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades 58 132 Modelaje de flujo multifaacutesico 58 133 Modelos de Fluido 59 134 Certeza del tipo de flujo 59 135 Disentildeo de equipos de superficie 59 136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea 60

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

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[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

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Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE GENERAL

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO 61 21 CONDICIONES DE DISENtildeO 61

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 61 212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS 62 213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO JOSE 63 214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 63

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS 68

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS 68 2211 Metor 68 2212 SuperMetanol 74 2213 MTBE de Super Octanos 75 2214 IsoOctano de Super Octanos 77

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE 79

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO 79

CAPIacuteTULO III RESULTADOS 83

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED 83

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA FRICCIOacuteN EN

LAS TUBERIacuteAS 85

321 ECUACIOacuteN DE FANNING 86 322 PIPESIMreg 91

3221 Metor 91 3222 Supermetanol 96 3223 MTBE de Super Octanos 99 3224 Iso-Octano de Super Octanos 102

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS 104

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS 110

CONCLUSIONES 114

RECOMENDACIONES 116

BIBLIOGRAFIacuteA 118

GLOSARIO 121

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

BIBLIOGRAFIacuteA

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1992

Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc Graw

Hill 1979

The MW Kellogg Company Design of piping systems 2da edicioacuten Jhon

Wiley and sons

Paper SPE 20631 Xlao JJ Shoham O y Brill JP A comprehensive

Mechanistic Model for Two-Phase Flow in Pipelines Society of Petroleum

Engineers Inc University of Tulsa 1990

Paper SPE 20645 Z El-Oun Gas-Liquid Two-Phase Flow in Pipelines

Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpipesi

m_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

PDVSA httpwwwinteveppdvcomsantppquimicosind_productoshtm

[consulta diciembre 2005]

Wipedia httpeswikipediaorgwikiGolpe_de_ariete [consulta Mayo

2006]

ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE GENERAL

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano 122

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol 123

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE 124

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

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[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

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edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

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Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

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PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE DE FIGURAS

ix

IacuteNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute Antonio Anzoaacutetegui 8

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui 11

Figura 3 Diagrama de corte 15 Figura 4 Diagrama de Moody 23 Figura 5 Curva de flujo general 26 Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor 69 Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor) 70 Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor 70 Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor 71 Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor 72 Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor 73 Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol 74 Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de

Super Octanos 76 Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de

Super Octanos 77 Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de

Super Octanos 78 Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el

Muelle Petroquiacutemico Jose 80 Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor 92 Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h 94 Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor) 95 Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h 96 Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h 98 Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol) 99 Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE) 101 Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano) 103 Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del

Muelle Criogeacutenico 108 Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro 108

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31 Capiacutetulo II

[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

9na edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 1995

[3] Pequiven httpwwwpequivencom [consulta Octubre 2005]

[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

esim_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

[6] Streeter V y Wylie B Mecaacutenica de Fluidos 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1979

BIBLIOGRAFIacuteA

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Barberii EE El Pozo Ilustrado 3ra edicioacuten Caracas PDVSA 1985

Branan Carl R Soluciones praacutecticas para el Ingeniero Quiacutemico 2da

edicioacuten Meacutexico Mc Graw Hill 2000

Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Meacutexico Mc

Graw Hill 1992

Reza Garciacutea Clemente Flujo de fluidos en vaacutelvulas accesorios y tuberiacuteas

Crane Co Meacutexico Mc Graw Hill 1990

BIBLIOGRAFIacuteA

119

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Engineers Inc University of Tulsa 1990

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Society of Petroleum Engineers Inc CALtec Limited Subsidiary of BHR Group Ltd

1990

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Tecnoconsult httpwwwtecnoconsultcom [consulta Noviembre 2005]

Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpipesi

m_pfpdf [consulta Noviembre 2005]

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[consulta diciembre 2005]

Wipedia httpeswikipediaorgwikiGolpe_de_ariete [consulta Mayo

2006]

ASME B313-2002 Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code

ASME Code for Pressure Piping B31

PDVSA No L-TP- 15 Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Manual de Ingenieriacutea

de Disentildeo Volumen 13-III Procedimiento de Ingenieriacutea

PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

• Tesis parte1doc
• • const aprobacioacuten peqpdf
  • tesis parte2doc

IacuteNDICE DE TABLAS

x

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose 12 Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales 23 Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta 33 Tabla 4 Propiedades de los fluidos 61 Tabla 5 Sistema de Bombeo 62 Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose 63 Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo) 64 Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo 65 Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo 66 Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios67 Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga 81 Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9 82 Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura 84 Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura 84 Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura 85 Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol 88 Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes

a las liacuteneas propiedad de Super Octanos 89 Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas

Principales 89 Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo 90 Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo 90 Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor 93 Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

Supermetanol 97 Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE 100 Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de

IsoOctano 102 Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor 104 Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de

Supermetanol 104 Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE 105 Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano 105 Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos 106 Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico 107 Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques109

NOMENCLATURA

xi

NOMENCLATURA

c= suma de tolerancias dejadas por la corrosioacuten la erosioacuten y cualquier profundidad de la muesca o estriado (-)

Cv = coeficiente de flujo en la vaacutelvula que pasa bajo una caiacuteda de presioacuten de l psi

cv= calor especiacutefico del fluido (BTUlbdegR)

D= diaacutemetro del conducto (ft)

d= diaacutemetro interno de la vaacutelvula (ft)

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea (ft)

dudy= gradiente de velocidad (1s)

E= factor de calidad (-)

F= peacuterdida por friccioacuten (ftlbflb)

f= factor de friccioacuten de Fanning (-)

G= velocidad maacutesica media (lbsft2)

g= aceleracioacuten local debido a la gravedad (322 fts2)

gc= constante dimensional (3217 lbftlbfs2)

hv= carga de velocidad (ft)

i= entalpiacutea especiacutefica (BTUlb)

J= equivalente mecaacutenico de calor (ftlbfBTU)

K= iacutendice de consistencia (lbfsnft2)

K1= cantidad de cargas de velocidad (fts)

L= dimensioacuten lineal caracteriacutestica del canal de flujo (ft)

L1= longitud del conducto (ft)

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes (ft)

Le= longitud equivalente (ft)

n= exponente (-)

nacute= exponente de la ley de potencia (-)

NRe = nuacutemero de Reynolds (-)

P= presioacuten de disentildeo (lbfft2)

p= presioacuten absoluta (lbfft2)

p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba (lbfft2)

p2= presioacuten estaacutetica corriente abajo (lbfft2)

NOMENCLATURA

Q= calor agregado (BTU)

q= flujo volumeacutetrico del fluido (ft3s)

r= radio (ft)

RH= radio hidraacuteulico medio (ft)

rw= radio de la tuberiacutea (ft)

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales (lbfft2)

s= entropiacutea especiacutefica (BTUlb degR)

SE= esfuerzo permisible (lbfft2)

Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto (-)

tm= espesor miacutenimo de pared (ft)

u= energiacutea interna especiacutefica (BTUlb)

U= distancia de anclajes (ft)

v= volumen especiacutefico (ft3lb)

V= velocidad lineal media (fts)

vprom= volumen especiacutefico promedio (ft3lb)

v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba (ft3lb)

v2= volumen especiacutefico en condiciones corriente abajo (ft3lb)

W= trabajo externo neto (lbfft)

We= trabajo proporcionado por una fuente externa (lbfft)

y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser absorbida por el sistema (ft)

Z= altura por arriba de cualquier plano de referencia horizontal arbitrario (ft)

Siacutembolos griegos Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica (lbfft2)

ΔTa= aumento global de la temperatura (degF)

ε= aspereza de la superficie interna del canal (ft)

η= viscosidad plaacutestica (lbfts)

μ= viscosidad dinaacutemica (lbfts )

μa= viscosidad aparente (lbfts )

ν =viscosidad cinemaacutetica (ft2s)

NOMENCLATURA

θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la horizontal (ordm)

ρ= densidad del fluido (lbft3)

ρprom= densidad promedio (lbft3)

τ= esfuerzo cortante (lbfft2)

τw= esfuerzo cortante en la pared (lbfft2)

τy= esfuerzo de cedencia (lbfft2)

ω= flujo en peso del fluido (lbs)

Abreviaturas ASME= The American Society of Mechanical Engineers

CS= Condiciones Standard

EOS= Equations of State

ERW= Electric Resistance Weld

MTBE= Metil Ter-Butil Eacuteter

MTMA= mil toneladas meacutetricas anuales

MTMM= mil toneladas meacutetricas mensuales

Soca= Super Octanos CA

Sumeca= Supermetanol CA

TAME= Ter-Amil Metil Eacuteter

INTRODUCCIOacuteN

INTRODUCCIOacuteN

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) en la buacutesqueda de un despacho para

sus productos a traveacutes del puerto de su propiedad en el Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui se planteoacute el Proyecto ldquoFacilidades para el despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

En el complejo existen cuatro empresas mixtas FertiNitro Metanol de

Oriente (Metor) Supermetanol y Super Octanos de las cuales soacutelo la primera

descarga sus productos a traveacutes del muelle de Pequiven las otras empresas lo hacen a

traveacutes del Terminal de Almacenamiento y Embarque de Jose (TAEJ) lo cual es

necesario redireccionar

El referido proyecto consta de la instalacioacuten de todas las facilidades para el

despacho de productos (Metanol MTBE e Iso-Octano) a traveacutes del Muelle

Petroquiacutemico de Jose incluyendo la red de liacuteneas hidraacuteulicas y los brazos de carga en

el muelle para lo cual se hace necesario el levantamiento en campo de los datos

requeridos para llevar a cabo el disentildeo El desarrollo del proyecto consiste en la

Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten (IPC) para el despacho de los productos desde las

plantas Metor Supermetanol y Super Octanos hasta la plataforma de liacutequidos del

Muelle Petroquiacutemico de Jose lo cual a grandes rasgos comprende la instalacioacuten de

a) Cuatro liacuteneas y cuatro brazos de carga

b) Instalacioacuten de un tanque para contingencias en el proceso de carga

c) Una liacutenea que interconecte las tuberiacuteas de los brazos de Metanol para dar

la facilidad a Supermetanol y Metor de despachar tanto del lado Este como

Oeste

d) Una liacutenea de venteo de gases de MTBE Metanol Iso-Octano y sus

mezclas desde el Muelle hasta el cabezal del mechurrio existente

e) Interconexioacuten al sistema de tuberiacuteas existentes para servicios industriales

INTRODUCCIOacuteN

El presente Trabajo Especial de Grado tiene como objetivo el disentildeo del

sistema de transporte para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico de Jose basaacutendose en el uso del software PIPESIMreg

PIPESIMreg es un simulador con aplicaciones para tuberiacuteas que mediante el

suministro de algunos datos como flujo presioacuten temperatura propiedades fiacutesico-

quiacutemicas y termodinaacutemicas de los fluidos disentildeo de las tuberiacuteas ademaacutes de las

ecuaciones seleccionadas de acuerdo al fluido y variables a manejar arroja resultados

que permiten predecir tiempos oacuteptimos de carga de los buques asiacute como los efectos

que podriacutea causar sobre el sistema cualquier cambio operacional realizado

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Petroquiacutemica de Venezuela (Pequiven) junto a las empresas mixtas que

laboran en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui deben habilitar las instalaciones del

Muelle Petroquiacutemico de Jose propiedad de Pequiven para lo cual se tiene previsto el

desarrollo de la Ingenieriacutea Procura y Construccioacuten del proyecto ldquoFacilidades para el

Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de

Joserdquo que se encuentra en su fase inicial desde febrero de 2006 En la fase de

ingenieriacutea son muchas las interrogantes que se plantean las empresas mixtas acerca de

las caracteriacutesticas para el despacho que tendraacuten sus productos asiacute como la

implementacioacuten de diferentes configuraciones de tuberiacuteas para lograr un mayor

volumen de despacho o mejoras en la calidad de dicho despacho

Es asiacute como se plantea este Trabajo Especial de Grado direccionado hacia

la buacutesqueda de soluciones al disentildeo del sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de

despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose

utilizando como herramienta el software PIPESIMreg

Se elabora la simulacioacuten del sistema de transporte que se desea instalar en el

Muelle Petroquiacutemico de Jose para que sea eacutesta un modelo teoacuterico a seguir durante la

puesta en marcha del proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e

Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo

OBJETIVOS

4

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disentildear el sistema de redes hidraacuteulicas y mecanismo de despacho de

Metanol MTBE e Iso-Octano a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Jose utilizando

como herramienta el software PIPESIMreg

OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

Recopilar la informacioacuten de campo necesaria para la realizacioacuten del

disentildeo del proyecto

Disentildear el sistema de tuberiacuteas desde las Empresas Mixtas hasta los

brazos de carga ubicados en el Muelle Petroquiacutemico de Jose haciendo uso de

Pipesimreg2003

Disentildear las facilidades para el despacho de los productos hasta los

cargueros

Calcular los paraacutemetros y variables en cada una de las liacuteneas

Calcular la capacidad de despacho durante la ventana operacional para

cada uno de los productos

Calcular la capacidad operativa del muelle para el despacho

simultaacuteneo del mayor nuacutemero de cargueros

METODOLOGIacuteA

5

METODOLOGIacuteA

La metodologiacutea seguida en el presente Trabajo Especial de Grado se puede

recopilar en los siguientes puntos principales los cuales estaacuten separados por capiacutetulos

a lo largo del trabajo y presentan la siguiente estructura

El primer capiacutetulo correspondiente a los antecedentes explica los

principales aspectos de la empresa asiacute como la estructura participativa de Pequiven

Jose Luego se realiza el estudio de los principales aspectos teoacutericos involucrados en

ANTECEDENTES

REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

DESARROLLO DEL DISENtildeO

Condiciones de disentildeo Revisioacuten del modelo ocupacional del Muelle

Disentildeo de tuberiacuteas

CAacuteLCULOS

AacuteNALISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS

METODOLOGIacuteA

6

la elaboracioacuten de un disentildeo de sistema de transporte asiacute como la descripcioacuten del

software utilizado

Se explican las bases para la elaboracioacuten del disentildeo propiedades

involucradas y configuracioacuten de los elementos del proyecto Y por uacuteltimo se procede

al caacutelculo de las variables del disentildeo comparacioacuten entre modelos y estudio

operacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose

Se analizan los resultados obtenidos se generaraacuten conclusiones y se haraacuten

recomendaciones de acuerdo al estudio realizado

CAPIacuteTULO I

7

CAPIacuteTULO I MARCO REFERENCIAL MARCO REFERENCIAL

11 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA [3]

111 PETROQUIacuteMICA DE VENEZUELA PEQUIVEN SA

Pequiven fue creada en 1977 asumiendo las funciones y operaciones de lo

que fuera el Instituto Venezolano de Petroquiacutemica (IVP) inaugurado en el antildeo 1955

Desde marzo de 1978 cuando se constituyoacute como filial de PDVSA Pequiven ha

vivido sucesivas etapas de reestructuracioacuten hasta llegar a convertirse en la

Corporacioacuten Petroquiacutemica de Venezuela

Su misioacuten es manufacturar y comercializar productos quiacutemicos y

petroquiacutemicos de alta calidad en el mercado nacional e internacional maximizando

el valor del gas y de las corrientes de refinacioacuten a fin de impulsar el desarrollo

industrial y agriacutecola del paiacutes

Su visioacuten es ser liacuteder en motorizar el desarrollo agriacutecola e industrial de

nuestro paiacutes ser reconocida en los mercados nacionales e internacionales por la

manufactura de productos quiacutemicos y petroquiacutemicos de alta calidad y a costos

competitivos

Estaacute integrada por tres Complejos Petroquiacutemicos El Tablazo en el estado

Zulia Moroacuten en el estado Carabobo y Jose en el estado Anzoaacutetegui Organizada en

Unidades de Negocio que atienden el desarrollo de tres liacuteneas de productos Olefinas

y sus derivados Fertilizantes y Productos Industriales Participa directamente en 16

Empresas Mixtas compuestas por socios nacionales e internacionales

112 EL COMPLEJO PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI-JOSE

El Complejo Jose ubicado en el estado Anzoaacutetegui costa oriental del paiacutes

es un desarrollo petroquiacutemico de Pequiven con gran futuro debido a la riqueza en gas

natural que posee la zona El Complejo tiene una superficie de 740 hectaacutereas donde se

han instalado las plantas de Super Octanos Metor Supermetanol y FertiNitro En la

CAPIacuteTULO I

8

figura 1 se puede observar una vista aeacuterea de las instalaciones del Complejo donde se

sentildealan los nombres de las calles que intervienen en el desarrollo del proyecto en

estudio

Ademaacutes de los servicios de agua electricidad gas generacioacuten de vapor y

otras instalaciones como las oficinas administrativas servicio de bomberos sistema

de intercomunicaciones cliacutenica industrial vigilancia sistema de disposicioacuten de

efluentes industriales mantenimiento todo ello para satisfacer las necesidades del

condominio

El desarrollo del complejo demuestra la experiencia y competitividad de

Pequiven cuya estructura empresarial no escatima esfuerzos en mantener actualizada

la capacidad de sus recursos humanos revisioacuten permanente de los procesos uso de la

tecnologiacutea de punta para fortalecer la productividad de sus plantas atencioacuten esmerada

consciente en la necesidad de conservar el ambiente y las relaciones interactivas y

comprometidas con el paiacutes

Figura 1 Vista parcial del Complejo Petroquiacutemico General de Divisioacuten Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui

Calle CCalle F

CAPIacuteTULO I

9

113 LAS EMPRESAS MIXTAS ASOCIADAS A PEQUIVEN

La decisioacuten gubernamental (1960) de permitir la participacioacuten asociada de

empresas venezolanas y extranjeras en el negocio petroquiacutemico fue muy acertada

Hoy esa modalidad empresarial ha fortalecido a Pequiven y ha logrado para el paiacutes

avances en tecnologiacutea y manufactura de productos petroquiacutemicos

Las ganancias generadas demuestran el progreso logrado por Pequiven y las

empresas mixtas respecto al aumento sostenido de la produccioacuten y diversificacioacuten de

productos como sigue

bull Olefinas y Plaacutesticos aacutecido clorhiacutedrico cloro dicloruro de etileno etileno

pirogasolina monoacutemero de cloruro de vinilo (MCV) cloruro de polivinilo (PVC)

polietileno de alta densidad polietileno de baja densidad polietileno lineal de baja

densidad polipropileno propileno y soda caacuteustica

bull Fertilizantes aacutecido fosfoacuterico aacutecido niacutetrico aacutecido sulfuacuterico amoniacuteaco

caprolactama fosfato diamoacutenico fosfato tricaacutelcico granulados de NPK nitrato de

potasio oleum roca fosfaacutetica solucioacuten de amoniacuteaco sulfato de amonio sulfato de

sodio urea

bull Productos Industriales alquilbencenos taacutelico anhiacutedrido benceno-tolueno-

xileno (BTX) clorofluorometanos glicol de etilenos metanol MTBE oacutexido de

etileno polifosfato de sodio tetraacutemero de propilenotres

114 EMPRESAS MIXTAS OPERATIVAS EN EL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO ANZOAacuteTEGUI

1141 METANOL DE ORIENTE (METOR)

El inicio de operaciones de la planta de produccioacuten de Metanol empresa

mixta Metanol de Oriente (Metor SA) representa una significativa contribucioacuten

para el proceso de industrializacioacuten del gran potencial de gas natural con el que

cuenta Venezuela Esta empresa tiene una composicioacuten accionaria representada por

CAPIacuteTULO I

10

Pequiven Mitsubishi Corporation y Mitsubishi Gas Chemical Empresas Polar e

International Finance Corporation

Esta planta tiene una capacidad instalada de 750 MTMA de Metanol

producto de amplio uso en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

El Metanol es un insumo para la manufactura de productos oxigenados

(MTBE y TAME) ampliamente cotizados para mejorar el octanaje de la gasolina y

las emisiones al ambiente El Metanol tambieacuten es materia prima para producir resinas

y otros compuestos quiacutemicos Asiacute mismo es producto final utilizado como solvente y

combustible Esta variedad de aplicaciones le otorga al Metanol un lugar fundamental

en la industria quiacutemica y petroquiacutemica

1142 FERTILIZANTES NITROGENADOS DE ORIENTE

(FERTINITRO)

El objetivo de esta empresa es la venta de productos elaborados en las

plantas de Amoniacuteaco y Urea asiacute como sus subproductos tanto en Venezuela como en

el extranjero

Tiene como socios a la empresa Koch Industries con 35 de participacioacuten

Snamprogetti aporta 20 Empresas Polar un 10 y Pequiven 35

Esta empresa tiene una capacidad instalada estimada en 1200 MTMA de amoniacuteaco y

1460 MTMA de urea

1143 SUPERMETANOL

Esta empresa tiene como principal objetivo la produccioacuten de Metanol asiacute

como la venta de dicho producto y de sus subproductos principalmente en el

mercado internacional Empresa compuesta por Pequiven Ecofuel Metanol Holding

y Petrochemical Investment Ltd La capacidad estimada de produccioacuten asciende a

770 MTMA

CAPIacuteTULO I

11

1144 SUPER OCTANOS

Empresa compuesta accionariamente por Pequiven Ecofuel y el Banco de

Inversioacuten Mercantil Se encarga de la produccioacuten de MTBE asiacute como la venta y

comercializacioacuten de sus productos principalmente en el mercado internacional

Opera desde el antildeo 1991 y su capacidad estaacute alrededor de 550 MTMA En la figura 2

se observa una toma aeacuterea de la planta dentro del Complejo Antonio Joseacute Anzoaacutetegui

Figura 2 Vista de la Planta Super Octanos ubicada en el Complejo Petroquiacutemico Anzoaacutetegui

1145 AGUAS INDUSTRIALES DE JOSE

Se encarga del suministro de aguas industriales al Complejo Jose ademaacutes

del agua potable agua para incendios y servicios de remocioacuten de aguas negras a las

plantas petroquiacutemicas instaladas en los terrenos propiedad de Pequiven dentro del

complejo Posee una capacidad estimada de 1300 litros por segundo

CAPIacuteTULO I

12

A continuacioacuten se presenta un resumen de la estructura participativa de las

principales empresas mixtas ubicadas en el Complejo Petroquiacutemico Jose

Tabla 1 Estructura participativa de Pequiven Jose

CAPACIDAD PARTICIPACIOacuteN EMPRESAS PRODUCTOS

[MTMA] USOS SOCIOS

[] Formaldehiacutedo Pequiven 3750

Mitsubishi Corporation

2375 Componente de gasolina MTBE Mitsubishi Gas

Chemical 2375

Solvente Empresas Polar 10

Metor Metanol 750

Acido aceacutetico IFC 5 Formaldehiacutedo Pequiven 3451 Componente de gasolina MTBE

Ecofuel 3451

Acido aceacutetico Metanol Holding Ltd

1549 Supermetanol Metanol 770

Solvente Petrochemical Investment Ltd

1549

Pequiven 49 Ecofuel 49

Super Octanos MTBE 550 Componente oxigenado de gasolina

Banca de Inversioacuten Mercantil

2

Pequiven 35 Amoniacuteaco 1200

Koch Industries 35 Snamprogetti 20 FertiNitro

Urea 1460 Fertilizante

Empresas Polar 10

CAPIacuteTULO I

13

115 EL MUELLE PETROQUIacuteMICO DE JOSE

El Muelle Petroquiacutemico de Jose es el proyecto de infraestructura maacutes

reciente realizado por Pequiven para exportar los productos petroquiacutemicos de las

plantas que operan y se proyectan en el oriente del paiacutes

La obra construida a un costo de 150 millones de doacutelares estaacute destinada a la

exportacioacuten de urea polietilenos amoniacuteaco etileno etilenglicol dietilenglicol

metanol MTBE y otros productos quiacutemicos de las plantas existentes Actualmente su

uso es destinado exclusivamente para el despacho de urea y amoniacuteaco El sistema de

carga de urea tiene capacidad para despachar 1000 toneladas meacutetricas por hora y el

de amoniacuteaco 1100 toneladas meacutetricas por hora

La obra estaacute disentildeada con posibilidades de ampliar las tuberiacuteas y brazos de

carga en etapas sucesivas sobre la plataforma existente sin afectar la operacioacuten

regular del muelle Dentro de dicho marco se encuentra el proyecto referido en este

Trabajo Especial de Grado Adicionalmente el disentildeo permite la construccioacuten de una

segunda plataforma y extender el muelle de contenedores

El embarcadero tiene una plataforma de soacutelidos para despachar urea con

capacidad para el atraque simultaacuteneo de un buque y otro de contenedores La

plataforma de liacutequidos estaacute dispuesta para el atraque de dos naves con productos

petroquiacutemicos En una tercera plataforma de servicios pueden atracar dos

remolcadores y una lancha de pasajeros la cual dispone de una daacutersena de 60

hectaacutereas a una profundidad de 14 metros A las plataformas del muelle tendraacuten

acceso buques de hasta 65 mil toneladas de peso muerto

El puente marino de concreto armado y pretensado de maacutes de 1500 metros

de longitud sostiene las plataformas y sirve de conexioacuten con todos los servicios hasta

la costa Descansa sobre pilotes metaacutelicos de 36 y 48 pies

CAPIacuteTULO I

14

12 REVISIOacuteN BIBLIOGRAacuteFICA

121 MECAacuteNICA DE FLUIDOS

1211 NATURALEZA DE LOS FLUIDOS [4]

Un fluido es una sustancia que sufre una deformacioacuten continua cuando estaacute

sujeta a un esfuerzo cortante La resistencia que un fluido real ofrece a tal

deformacioacuten se conoce con el nombre de viscosidad del fluido Para gases y liacutequidos

simples (bajo peso molecular) la viscosidad es constante cuando se fijan la presioacuten

estaacutetica y la temperatura Los materiales de este tipo se denominan newtonianos

Un fluido ideal o perfecto es un gas o liacutequido hipoteacutetico que no ofrece

resistencia al corte y tiene viscosidad cero En la mayor parte de los problemas de

flujo se obtienen resultados incorrectos al despreciar la viscosidad pero en los

mismos problemas pueden utilizarse las relaciones presioacuten-volumen-temperatura para

gases ideales

Si la viscosidad de un fluido es una funcioacuten del esfuerzo cortante

equivalente a la razoacuten de corte ademaacutes de la temperatura y presioacuten el fluido se

denomina no newtoniano Los fluidos no newtonianos se dividen generalmente en 3

clases

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo cuando son

sometidos a corte tales como

a) Fluidos plaacutesticos de Bingham probablemente son los fluidos

no newtonianos maacutes simples ya que soacutelo difieren de los fluidos newtonianos

en que su relacioacuten lineal entre el esfuerzo cortante y la razoacuten de corte no

parten del origen como se ilustra en curva B de la figura 3 se requiere un

esfuerzo cortante τy finito para que haya flujo Entre los ejemplos que pueden

citarse para un fluido que exhibe comportamiento plaacutestico de Bingham se

incluyen suspensiones de arena o granos y lodo de aguas negras

b) Fluidos pseudo plaacutesticos aquiacute se incluyen la mayor parte de los

fluidos no newtonianos entre los que se encuentran las soluciones polimeacutericas

CAPIacuteTULO I

15

o fundiciones y suspensiones de pulpa de papel o pigmentos En la figura 3 se

muestra la curva C tiacutepica del flujo de estos materiales

Figura 3 Diagrama de corte

Para estos fluidos la viscosidad disminuye a medida que aumenta el esfuerzo

de corte aplicado En general la curva de flujo en un intervalo de razoacuten de

corte puede aproximarse a la forma de la liacutenea recta en un diagrama

logariacutetmico con lo cual se tiene

1ltn con dydu

dyduK =

n 1minus

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

Ec 1

Donde τ= esfuerzo cortante dudy= gradiente de velocidad K= iacutendice de

consistencia y n= exponente

c) Fluidos dilatantes son los que exhiben un comportamiento

reoloacutegico opuesto al de los materiales pseudo plaacutesticos es decir la viscosidad

aumenta a medida que aumenta el esfuerzo de corte aplicado Algunos

ejemplos de estos materiales son suspensiones de almidoacuten o mica en agua o

arenas movedizas

2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duracioacuten del corte

Incluye los materiales para los cuales el esfuerzo cambia con la duracioacuten de

esfu

erzo

cor

tant

e τ

τy

Plaacutestico de Bingham

Pseudoplaacutestico

Dilatante

Newtoniano A

B

C

D

Razoacuten de corte dudy

CAPIacuteTULO I

16

corte Se excluyen los cambios que podriacutean producirse por rompimiento

mecaacutenico o destruccioacuten de partiacuteculas o enlaces moleculares

a) Fluidos tixotroacutepicos son los que poseen una estructura que puede

sufrir un trastorno en funcioacuten del tiempo bajo corte Cuando la estructura sufre

alguacuten trastorno bajo una razoacuten de corte constante el esfuerzo cortante

decrece Esta estructura puede reconstruirse a siacute misma si cesa la fuerza

aplicada sobre el material Ejemplos de este tipo de fluidos son la mayonesa

lodo de perforacioacuten pinturas y tintas

b) Materiales reopeacutecticos son los que incrementan su viscosidad aparente

con mucha rapidez cuando son agitados o golpeados riacutetmicamente Algunos

ejemplos de estos materiales son las suspensiones coloidales de bentonita y

pentoacutexido de vanadio y las suspensiones de yeso en agua

3) Fluidos viscoelaacutesticos son aquellos que exhiben muchas de las caracteriacutesticas

de un soacutelido exhiben recuperacioacuten elaacutestica de la deformacioacuten que sufren

durante el flujo Los liacutequidos polimeacutericos forman la mayor parte de los fluidos

de esta clase En este tipo de fluidos tienen lugar esfuerzos normales es decir

esfuerzos perpendiculares a la direccioacuten de flujo ademaacutes de los esfuerzos

tangenciales usuales Estos esfuerzos provocan varios efectos no usuales por

ejemplo el ldquoefecto Weissenbergrdquo en que el fluido tiende a escalar un eje que

se encuentra girando en el fluido Las ecuaciones desarrolladas para fluidos

pseudo plaacutesticos se pueden aplicar para flujo de fluidos visco elaacutesticos en

estado estacionario no acelerado las propiedades elaacutesticas se manifiestan en

forma general como ldquoefectos terminalesrdquo

La unidad de viscosidad dinaacutemica (μ) en el sistema internacional (SI) es el

pascal-segundo (Pas) Un Pas es igual a 10 Poise 1000 centipoises (cP) o 0672

lb(fts)

CAPIacuteTULO I

17

La viscosidad cinemaacutetica (ν) de un fluido de densidad ρ y viscosidad μ es

ν=μρ Una unidad de viscosidad cinemaacutetica denominada stoke (St) es igual a

1cm2s La fluidez es el reciacuteproco de la viscosidad

1212 TERMINOLOGIacuteA DE LA MECAacuteNICA DE FLUIDOS [4]

Se dice que un flujo es estacionario si no variacutea con el tiempo es decir

cuando la velocidad del flujo de masa es constante y todas las demaacutes cantidades

(temperatura presioacuten aacuterea transversal) son independientes del tiempo Por el

contrario se dice que un flujo es no estacionario cuando la velocidad de flujo de

masa yu otras cantidades variacutean en funcioacuten del tiempo El flujo no estacionario

puede originarse por la accioacuten de una vaacutelvula de control de una maquinaria

reciprocante o por tratarse de un flujo compuesto de dos fases inestables

Se dice que un flujo es acelerado si no es estacionario o si su velocidad

variacutea en la direccioacuten general del flujo Gran cantidad de efectos asociados con fluidos

visco elaacutesticos no newtonianos ocurren por lo general en flujo acelerado

Se dice que una corriente es uniforme si la forma y el tamantildeo de su seccioacuten

transversal son iguales a lo largo del canal Se dice que la temperatura o velocidad es

uniforme a lo largo de una regioacuten cuando tiene el mismo valor en todas sus partes en

un instante dado

La velocidad maacutesica media (G) de una corriente que pasa por una seccioacuten

transversal dada tomada en sentido perpendicular a la direccioacuten comuacuten del flujo que

pasa por el aparato es el cociente del flujo maacutesico entre el aacuterea de la seccioacuten

transversal dada A lo largo de un canal con un aacuterea de seccioacuten transversal uniforme

la velocidad media de masa es constante a menos que exista una acumulacioacuten o

agotamiento de material dentro de canal Cuando se estaacute considerando el flujo que

pasa por un haz de tubos o un lecho de soacutelidos se utiliza el teacutermino velocidad maacutesica

superficial para identificar la cantidad obtenida al dividir el flujo maacutesico entre el aacuterea

CAPIacuteTULO I

18

total de la seccioacuten transversal de la caacutemara circundante (sin restar la parte

correspondiente al corte transversal ocupado por las obstrucciones)

La velocidad lineal media (V) de una corriente que pasa por cualquier

seccioacuten transversal dada se toma usualmente como la cantidad obtenida cuando la

velocidad maacutesica media correspondiente se divide entre la densidad promedio en la

seccioacuten transversal dada A menos que le flujo sea isoteacutermico el teacutermino velocidad

lineal media no se puede interpretar salvo que se defina con precisioacuten la regla que se

eligioacute para determinar la densidad promedio En consecuencia siempre que sea

posible es preferible manejar el flujo no isoteacutermico en funcioacuten de la velocidad de

masa La velocidad lineal superficial corresponde a la velocidad superficial maacutesica

La carga de velocidad ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

cgV

22

es la carga estaacutetica equivalente a la

energiacutea cineacutetica de una corriente de velocidad uniforme V

Un nuacutemero de Reynolds (NRe) es cualquiera de varias cantidades

adimensionales de la forma μρLV que son proporcionales a la razoacuten de la fuerza

inercial a la fuerza viscosa en un sistema de flujo En este caso L= dimensioacuten lineal

caracteriacutestica del canal de flujo

Se puede predecir la transicioacuten de flujo turbulento a laminar en fluidos no

newtonianos de acuerdo con el concepto del nuacutemero de Reynolds Se toma como

reacutegimen laminar NRelt 2100 y para reacutegimen turbulento NRe gt 4000

El radio hidraacuteulico medio (RH) de un canal es igual al aacuterea de la seccioacuten

transversal de esa parte del canal que estaacute llena con fluido dividida entre la longitud

del periacutemetro huacutemedo El radio hidraacuteulico de una tuberiacutea circular es un cuarto del

diaacutemetro de donde en el caso de un ducto no circular se dice que el diaacutemetro

hidraacuteulico es cuatro veces el radio hidraacuteulico

La liacutenea aerodinaacutemica se define como aquella que queda en la direccioacuten del

flujo en cada uno de los puntos en un instante dado El flujo laminar se define como

aquel en el que las liacuteneas aerodinaacutemicas se mantienen bien definidas unas de otras en

CAPIacuteTULO I

19

toda su longitud Las liacuteneas aerodinaacutemicas no deben ser rectas necesariamente ni el

flujo constante siempre y cuando se satisfaga el criterio antes citado Este tipo de

movimiento se conoce tambieacuten con los nombres de flujo aerodinaacutemico o viscoso

Un flujo laminar con NRe lt 1 se conoce como flujo lento o flujo reptante

En este tipo de flujo se puede despreciar la fuerza inercial relativa a la fuerza viscosa

Si el nuacutemero de Reynolds de un sistema excede al nuacutemero criacutetico de

Reynolds casi siempre sucede que el movimiento no es laminar en toda la longitud

del canal sino que se generan turbulencias en la zona inicial de inestabilidad que se

extienden raacutepidamente por todo el fluido produciendo con ello una perturbacioacuten en el

patroacuten general de flujo El resultado es una turbulencia del fluido superpuesta al

movimiento primario de traslacioacuten generando lo que se conoce como flujo

turbulento

122 DINAacuteMICA DE FLUIDOS

1221 BALANCE DE ENERGIacuteA [4]

12211 Balance total de energiacutea

Consideacuterese una unidad de peso de fluido en un sistema de flujo y sean

i=entalpiacutea especiacutefica J= equivalente mecaacutenico de calor s= entropiacutea especiacutefica

u=energiacutea interna especiacutefica v= volumen especiacutefico Z= altura por arriba de cualquier

plano de referencia horizontal arbitrario En este caso la energiacutea potencial relativa al

nivel de referencia elegido es cg

Zg la energiacutea total cineacutetica es cg

V2

2 y la energiacutea

total de la unidad de peso de fluido es ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ++

cc gV

gZgJu 2

2 Para un flujo

estacionario del fluido no se tendraacute ninguna acumulacioacuten o deficiencia ya sea de eacuteste

o de la energiacutea dentro del sistema y la energiacutea total del mismo se alteraraacute soacutelo

CAPIacuteTULO I

20

agregando o quitando calor de eacuteste o aplicando cualquier trabajo externo sobre el

sistema Por tanto

WJQg

Vg

gZJug

Vg

gZJucccc

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++minus⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

22

211

1

222

2 Ec 2

donde los subiacutendices 1 y 2 indican las condiciones en la entrada y salida

respectivamente Q es el calor agregado utilizando fuentes externas al sistema W es

el trabajo externo neto aplicando a una libra de fluido mientras estaacute dentro del

aparato El teacutermino W se subdivide como sigue

eWvpvpW +minus= 2211 Ec 3

donde We= trabajo proporcionado por una fuente externa por ejemplo un ventilador

o una bomba

Si se combinan las ecuaciones 2 y 3 se obtiene

22

222

211

211

1 22vp

gV

ggZJuWJQvp

gV

ggZJu

cce

cc

+++=+++++ Ec 4

Esta expresioacuten de la primera ley de la termodinaacutemica se denomina a menudo

balance global de energiacutea del teorema de Bernoulli En esta expresioacuten no se incluye

ninguacuten teacutermino de friccioacuten ya que eacuteste representa una conversioacuten de energiacutea

mecaacutenica en calor sin que el contenido general de energiacutea del sistema sufra cambio

alguno

Los teacuterminos de energiacutea cineacutetica de las ecuaciones antes citadas se aplican

estrictamente soacutelo cuando la velocidad a traveacutes de una seccioacuten transversal dada es

uniforme Cuando se trata de un flujo turbulento en tuberiacuteas circulares el teacutermino

cgV

22 es de 3 a 8 por debajo del valor real en tanto que para un flujo laminar en

tuberiacuteas circulares el teacutermino de energiacutea cineacutetica apropiado es cg

V 2 que permite

cierto margen para la distribucioacuten de velocidad paraboacutelica

CAPIacuteTULO I

21

12212 Balance de energiacutea mecaacutenica

El cambio de energiacutea interna J du de una libra de fluido se expresa como

JT ds ndash p dv Si estaacuten presentes otras formas de energiacutea por ejemplo la eleacutectrica y

sufre un cambio tales formas deberaacuten incluirse tambieacuten La presencia de friccioacuten

hace que el proceso se torne irreversible de donde JT ds = J dq + dF donde

F=peacuterdida de friccioacuten Tomando en consideracioacuten esta peacuterdida de friccioacuten y la

situacioacuten de irreversibilidad la ecuacioacuten de balance de masa se convierte en

cce

cc gV

ggZ

WFpvg

Vg

gZ22

222

2

1

211 +=+minuspartminus+ int Ec 5

La ecuacioacuten 5 se denomina forma de energiacutea mecaacutenica del teorema de

Bernoulli Para liacutequidos la integral int part2

1

pv se reduce a ( )12 ppv minus donde v es

praacutecticamente constante

12213 Evaluacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en el sistema

Existe una distincioacuten real entre la caiacuteda de presioacuten y la peacuterdida por friccioacuten

La caiacuteda de presioacuten representa una conversioacuten de energiacutea de presioacuten en cualquier otra

forma de energiacutea mientras que la peacuterdida por friccioacuten representa una peacuterdida neta de

la energiacutea de trabajo total disponible que caracteriza al fluido Los dos teacuterminos se

relacionan entre siacute por medio de la ecuacioacuten 5

Hay dos meacutetodos para evaluar la caiacuteda general de presioacuten de un sistema si se

recurre a varias resistencias en serie El primer meacutetodo comprende el caacutelculo de la

caiacuteda de presioacuten de cada resistencia individual tomando en cuenta el signo algebraico

correspondiente y luego sumando todos los teacuterminos que componen el sistema total

El segundo meacutetodo consiste en calcular la peacuterdida por friccioacuten de cada resistencia

individual la suma de todos los teacuterminos particulares y la aplicacioacuten de la ecuacioacuten 5

para obtener la caiacuteda de presioacuten general La suma de las caiacutedas de presioacuten puede

utilizarse en sistemas compuestos de liacuteneas ramificadas

CAPIacuteTULO I

22

1222 FLUJO EN TUBERIacuteAS [4]

12221 Distribucioacuten de velocidad en tuberiacuteas circulares

En el caso de flujo laminar en tuberiacuteas circulares el patroacuten de velocidad tiene

forma paraboacutelica con una velocidad maacutexima en el centro e igual a dos veces la

velocidad promedio (V) La velocidad local (u) en cualquier punto de la seccioacuten

transversal estaacute expresada por

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

2

2

12wrr

Vu Ec 6

donde r= radio en el punto en cuestioacuten y rw= radio de la tuberiacutea

12222 Flujo incompresible

El flujo se consideraraacute como incompresible si la sustancia en movimiento es

un liacutequido o si se trata de un gas cuya densidad cambia dentro del sistema en un

valor no mayor de 10 En este caso se utiliza la densidad de entrada el error

resultante en la caiacuteda de presioacuten calculada no sobrepasaraacute por lo comuacuten los liacutemites de

incertidumbre del factor de friccioacuten

12223 Tuberiacuteas circulares

La ecuacioacuten de Fanning para flujo estacionario en tuberiacuteas circulares

uniformes que corren llenas de liacutequido en condiciones isoteacutermicas

52

21

522

21

2

211

21 3232

244

24

DgqfL

DgfL

gG

DfL

hDfL

gV

DfL

Fccc

vc πρπ

ωρ

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= Ec 7

expresa la peacuterdida por friccioacuten F en energiacutea especiacutefica donde D= diaacutemetro del

conducto L1= longitud del conducto hv= carga de velocidad (V22gc) ω= flujo en

peso del fluido q= flujo volumeacutetrico del fluido f= factor de friccioacuten de Fanning La

caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten es Δp= Fρ

El factor de friccioacuten de Fanning f es una funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la

aspereza de la superficie interna del canal (ε) Una correlacioacuten que se utiliza con

mucha frecuencia es el diagrama de Moody que es una graacutefica del factor de friccioacuten

CAPIacuteTULO I

23

de Fanning en funcioacuten del nuacutemero de Reynolds y la aspereza relativa εD tal como se

muestra en la figura 4 En la tabla 2 se presentan valores de ε para varios materiales

Tabla 2 Valores de aspereza superficial para varios materiales

Material Aspereza de superficie ε [mm]

Tubos estirados (latoacuten plomo vidrio y similares) 000152

Acero comercial o hierro 00457

Hierro fundido asfaltado 0122

Hierro galvanizado 0152

Hierro fundido 0259

Duelas de madera 0183 - 00914

Concreto 0305 - 305

Acero remachado 0914 - 914

Figura 4 Diagrama de Moody

CAPIacuteTULO I

24

El diagrama de Moody para flujo turbulento (NRe gt 4000) se representa por

medio de la ecuacioacuten de Colebrook

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

fNDf Re

51273

log21 ε Ec 8

La ecuacioacuten anterior se reduce a la ecuacioacuten de Prandtl cuando εD=0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus=

fNf Re

2561log41 Ec 9

Para tuberiacuteas rugosas se aplica la ecuacioacuten de von Kaacutermaacuten

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛minus=

Df 73log41 ε Ec 10

Cuando se tiene especificada la velocidad del flujo el factor de friccioacuten

puede ser calculado mediante la ecuacioacuten 11

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

7log6031 ReN

f Ec 11

O para NRe le 105 mediante la ecuacioacuten de Blasius

41Re

07910N

f = Ec 12

Para flujo turbulento (NRe gt 4000) se han desarrollado las ecuaciones

siguientes expliacutecitas en las incoacutegnitas Para el caacutelculo del flujo

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+

minus=

f

f

gDSDv

D

gDSDq

78173

log22

ε

π Ec 13

donde Sf= altura de la carga de fluido perdida por unidad de longitud de ducto

(ΔpgcρgL)

CAPIacuteTULO I

25

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debida a la friccioacuten se cuenta con la

ecuacioacuten

2

90Re

2

5

74573

log

2030

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ND

qgSD f

ε Ec 14

el error introducido al aplicar esta ecuacioacuten es menor de plusmn1 para el intervalo

5x103 le NRe le 108 10-6 le εD le 102

Para el caacutelculo del diaacutemetro del ducto se tiene

200200

3

5250

2

5

2

5

1250⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

ff

gSqv

qgS

qgSD ε Ec 15

el error que se tiene al aplicar esta ecuacioacuten es menor que plusmn2 para el intervalo

3x103 le NRe le 3x108 2x10-6 le εD le 2x102

Para verificaciones o estimaciones aproximadas el concepto carga de

velocidad puede aplicarse a la primera de las dos formas de la ecuacioacuten 7

12224 Fluidos no newtonianos

Mediante la figura 5 es posible determinar la caiacuteda de presioacuten debida a la

friccioacuten para el flujo laminar de fluidos no newtonianos en tuberiacuteas circulares Eacutesta

muestra una curva de flujo tiacutepica en coordenadas cartesianas DΔp4L es el esfuerzo

cortante en la pared τw y 8VD es la relacioacuten para la razoacuten de corte en la pared

CAPIacuteTULO I

26

Figura 5 Curva de flujo general

La curva de flujo se determina a partir de pruebas de laboratorio o a pequentildea

escala con el fluido no newtoniano especiacutefico

En la regioacuten laminar la curva es independiente del diaacutemetro de la tuberiacutea en

el caso de fluidos no newtonianos independientes del tiempo Si el fluido depende del

tiempo se obtendraacute una curva por separado para cada diaacutemetro y longitud de tuberiacutea

Para plaacutesticos de Bingham la ecuacioacuten teoacuterica del flujo es

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

4

31

3418

w

y

w

ywcgDV

ττ

ττ

ητ Ec 16

Si 4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

w

yτ

τ es relativamente pequentildea por ejemplo en caso de esfuerzos

cortantes grandes o caiacutedas de presioacuten la ecuacioacuten puede ser aproximada por

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ minus= yw

cgDV ττ

η 348 Ec 17

El error causado al omitir el uacuteltimo teacutermino de la ecuacioacuten es inferior al 2

para τyτw menor a 04 La viscosidad aparente μa se obtiene al introducir la ecuacioacuten

anterior en la ecuacioacuten de Poiseuille

ητ

μ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

VDg yc

a 6 Ec 18

τw = DΔp4L

8VD

Regioacuten laminar

Regioacuten turbulenta

CAPIacuteTULO I

27

En estas ecuaciones Δp= caiacuteda de presioacuten estaacutetica η= viscosidad plaacutestica y

τy= esfuerzo de cedencia

Para aquellos fluidos a los que se aplica la ley de potencia sirve la ecuacioacuten

donde

( )[ ]⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus

=part

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ Δpart

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

prime+prime

=prime

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛prime=

Δ

prime

prime

DV

nn

ru

nD

VL

pD

n

nnKK

DVK

LpD

w

n

n

84

13

8ln

4ln

413

84

Ec 19

Ec 20

Ec 21

Ec 22

nacute= exponente de la ley de potencia pendiente de la liacutenea de la graacutefica de

DΔp4L contra 8VD en coordenadas logariacutetmicas wr

u⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minus = razoacuten del esfuerzo

cortante en la pared Kacute= constante Si nacute= 1 el fluido seraacute newtoniano si nacutelt1 se

trataraacute de un fluido pseudo plaacutestico o plaacutestico de Bingham y cuando nacutegt1 el fluido

seraacute dilatante

El liacutemite de flujo laminar constante o estable se toma comuacutenmente como

NacuteRe=2100 donde

1

2Re

8 minusprime

primeminusprime

prime=

==prime

nc

nn

Kg

VDdogeneralizaeynoldsRdenuacutemeroN

γγρ

o bien NacuteRe = DVρ μa = 2100 para plaacutesticos de Bingham

Ec 23 Ec 24

CAPIacuteTULO I

28

En flujos turbulentos la curva de flujo general (Fig 5) se interrumpe El

punto de interrupcioacuten seraacute diferente para distintos diaacutemetros de tuberiacutea Para predecir

la caiacuteda de presioacuten del flujo turbulento de fluidos no newtonianos independientes del

tiempo el factor de friccioacuten de Fanning se obtiene del diagrama de Moody aplicando

el nuacutemero generalizado de Reynolds Para fluidos que se comportan como plaacutesticos

de Bingham nacuteasymp1 en flujo turbulento la caiacuteda de presioacuten puede predecirse a partir de

la correlacioacuten de friccioacuten de Fanning para fluidos newtonianos utilizando para la

viscosidad del fluido la viscosidad plaacutestica (η)

Se puede lograr una reduccioacuten de la peacuterdida por friccioacuten en flujos turbulentos

de liacutequidos newtonianos agregando poliacutemeros solubles de alto peso molecular en

concentraciones extremadamente reducidas En estos sistemas el acuerdo general es

que el comportamiento de reduccioacuten de arrastre se asocia con la naturaleza

viscoelaacutestica de las soluciones en la regioacuten de corte cercana a la pared Es necesario

un poliacutemero de peso molecular miacutenimo para iniciar la reduccioacuten de arrastre con un

flujo especiacutefico Existe una concentracioacuten criacutetica por encima de la cual no ocurre la

reduccioacuten de arrastre Para determinar la reduccioacuten de arrastre maacutexima en tuberiacuteas

lisas se aplica la siguiente ecuacioacuten

580ReRe

5807350log191N

fmenteaproximadaofNf

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus= Ec 25

para 4000 lt NRe lt 40000

12225 Flujo no isoteacutermico

En flujos no isoteacutermicos de liacutequidos f se incrementa sensiblemente cuando el

liacutequido se estaacute enfriando y disminuye al calentarse Los datos disponibles que

corresponden mayormente a aceites se calculan de manera aproximada encontrando

primero f para el flujo isoteacutermico del liacutequido a la temperatura de la corriente principal

y luego dividiendo el resultado en caso de enfriamiento entre (μaμw)023 si se

encuentra en la regioacuten laminar o por (μaμw)011 si estaacute en la regioacuten turbulenta o bien

en casos de calentamiento por (μaμw)038 si se trata de la regioacuten laminar o por

(μaμw)017 si es la turbulenta En este caso μa es la viscosidad a la temperatura de la

CAPIacuteTULO I

29

corriente principal y μw es la viscosidad a la temperatura de la pared Ademaacutes ρ=1v

variacutea con la temperatura pero debido a la incompresibilidad no lo hace con la

presioacuten Por lo tanto la ecuacioacuten 26 se utiliza para calcular la caiacuteda de presioacuten en

conductos de caudal completo por ejemplo tubos intercambiadores de calor

( )Lk

gg

RgLvfG

gvvG

pp promcHc

prom

c

ρ++minus

=minus2

212

2

21 Ec 26

Donde p1= presioacuten estaacutetica corriente arriba p2= presioacuten estaacutetica corriente

abajo v1= volumen especiacutefico en condiciones corriente arriba v2= volumen

especiacutefico en condiciones corriente abajo vprom= volumen especiacutefico promedio

ρprom= densidad promedio K= sen θ en donde θ= aacutengulo de inclinacioacuten respecto a la

horizontal

El flujo de liacutequidos viscosos en canales pequentildeos por ejemplo tubos

capilares va acompantildeado con frecuencia de grandes caiacutedas de presioacuten La conversioacuten

de la energiacutea de trabajo en calor a traveacutes del esfuerzo cortante viscoso genera un

aumento de temperatura apreciable ΔTa= ΔpcvρJ en donde ΔTa= aumento global de

la temperatura y cv= calor especiacutefico del fluido El aumento en la velocidad de flujo

debido a una reduccioacuten de viscosidad es mucho mayor que la que corresponde al

aumento global de temperatura ya que gran parte del calor se genera cerca de las

paredes del canal lo cual genera un aplanamiento del perfil de velocidad

12226 Flujo turbulento

Las foacutermulas y los meacutetodos generales incluidos bajo el tiacutetulo ldquoflujo

incompresiblerdquo se aplican soacutelo a una longitud diferencial del conducto a traveacutes del

cual se considera que la densidad es constante Por ende generalmente se usa la

ecuacioacuten de Fanning en su forma diferencial

HcHcc RgfG

RgfV

DgfV

xF

2

222

2224

ρ===

partpart Ec 27

CAPIacuteTULO I

30

Al sustituir esta uacuteltima ecuacioacuten en la forma diferencial del balance de

energiacutea mecaacutenica se tiene

xgg

RgfV

gVVpv

cHcc

part⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+minus=

part+part θsen

2

2 Ec 28

donde v= 1ρ = volumen especiacutefico del fluido (sen θ) dx = dz = distancia vertical a

traveacutes de la cual el fluido se eleva cuando se desplaza a una distancia dx a lo largo de

una tuberiacutea We del balance de energiacutea se iguala a cero suponiendo que no hay

ninguna bomba conectada a la liacutenea En ductos uniformes la velocidad de masa G=

Vv es constante de manera que si p se conoce como una funcioacuten exclusiva de v v dp

se escribe como φ(v)dv En tal caso cuando senθ es constante las variables de la

ecuacioacuten anterior son separables y se puede hacer la integracioacuten exacta aunque

pudieran requerirse procedimientos graacuteficos

12227 Flujo isoteacutermico en conductos horizontales (para gases ideales)

Al integrar la uacuteltima ecuacioacuten para el caso de gases ideales se obtiene la

siguiente expresioacuten

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=minus

2

12

22

21 ln

21

pp

fLR

MRgRTfLGpp H

Hc

Ec 29

En conductos de longitud apreciable el uacuteltimo teacutermino entre pareacutentesis es

generalmente despreciable a menos que la caiacuteda de presioacuten sea muy grande Por

ejemplo si LD = 100 (p1-p2)p1 puede ser tan grande como 020 antes que el error

introducido al omitir el uacuteltimo teacutermino sea tan grande como la incertidumbre del

factor de friccioacuten Cuando se omite el uacuteltimo teacutermino la ecuacioacuten se describe como

sigue

Hpromc RgfLGpp

acute

2

21 2 ρ=minus Ec 30

donde ρprom= densidad a la presioacuten promedio (p1-p2)2 Para una tuberiacutea circular

CAPIacuteTULO I

31

12228 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo turbulento

Al seleccionar el tamantildeo de tuberiacutea que va a utilizarse en un sistema de

manejo de fluidos se tiene con frecuencia una variedad de diaacutemetros permisibles que

comprenden dos o maacutes tamantildeos estaacutendar de tuberiacutea En tales casos la seleccioacuten final

deberaacute realizarse sobre una base econoacutemica de modo que el uacuteltimo incremento de la

inversioacuten reduzca los costos de operacioacuten lo suficiente para producir la recuperacioacuten

miacutenima requerida sobre la inversioacuten Cuando se trata de liacuteneas de tuberiacuteas largas que

se tienden a campo traviesa utilizando tuberiacuteas de aleacioacuten de longitud y complejidad

apreciable o tuberiacuteas con vaacutelvulas de control conviene efectuar anaacutelisis detallados de

la inversioacuten y los costos de operacioacuten

12229 Diaacutemetro econoacutemico de la tuberiacutea flujo laminar

Las liacuteneas de tuberiacutea para el transporte de liacutequidos de gran viscosidad en

plantas quiacutemicas o refineriacuteas de petroacuteleo raramente se disentildean basaacutendose en forma

exclusiva en los aspectos econoacutemicos Sucede maacutes a menudo que el tamantildeo estaacute

condicionado por la caiacuteda de presioacuten disponible limitaciones del esfuerzo cortante o

por consideraciones del tiempo de residencia [4]

122210 Peacuterdidas de presioacuten diversas

Las determinaciones experimentales de la resistencia de accesorios y vaacutelvulas

usualmente se llevan a cabo midiendo la peacuterdida general por friccioacuten en un sistema

constituido de dos o maacutes longitudes de tuberiacutea recta conectadas en serie por medio de

un nuacutemero apropiado de accesorios o vaacutelvulas ideacutenticos Para obtener la peacuterdida

producida por estos elementos la peacuterdida por friccioacuten en una tuberiacutea recta se resta de

la peacuterdida general o total por friccioacuten Existen tres convenios especiacuteficos ya

establecidos para calcular la longitud de la tuberiacutea recta del sistema de prueba

1) Se toma la longitud verdadera de la liacutenea central de todo el sistema

2) Se suman las longitudes de los tramos individuales de tuberiacutea que son

verdaderamente rectos

CAPIacuteTULO I

32

3) Se suman las distancias entre las intersecciones de las liacuteneas centrales

alargadas correspondientes a tuberiacuteas rectas sucesivas

122211 Accesorios y vaacutelvulas

Para flujo turbulento la peacuterdida adicional por friccioacuten producida por

accesorios y vaacutelvulas se justifica expresando la peacuterdida ya sea como una longitud

equivalente de tuberiacutea recta en diaacutemetros de tuberiacutea LeD o como la cantidad de

cargas de velocidad (K1) peacuterdidas en una tuberiacutea del mismo tamantildeo K1 se define

como sigue

cgV

FK2

21Δ

= Ec 31

donde ΔF= peacuterdida adicional por friccioacuten (peacuterdida total por friccioacuten menos peacuterdida

por friccioacuten correspondiente a la longitud de la liacutenea central de la tuberiacutea recta) Las

cantidades LeD y K1 no son del todo comparables pero ambas son exactas dentro de

los liacutemites de los datos disponibles o diferentes en detalles a los accesorios y vaacutelvulas

comerciales existentes Teoacutericamente K1 deberaacute ser constante para todos los tamantildeos

de un disentildeo de accesorios o vaacutelvulas dadas si todos ellos fueran geomeacutetricamente

similares sin embargo raramente se logra esa similitud geomeacutetrica Los datos

indican que la resistencia K1 tiende a disminuir al incrementarse el tamantildeo del

accesorio o la vaacutelvula

Para liacuteneas fuera de planta la longitud de tuberiacutea recta aproximada puede ser

estimada del plano de distribucioacuten Debido a que los accesorios en liacuteneas fuera de

planta tienen usualmente una longitud equivalente comprendida entre 20 y 80 de

la longitud real se puede aplicar un factor multiplicador entre 12 y 18 para estimar

longitudes de tuberiacuteas rectas [2]

La tabla 3 muestra valores de longitudes equivalentes de tuberiacutea recta nueva

para peacuterdida por friccioacuten en vaacutelvulas y accesorios en pies para acero al carboacuten con

rugosidad= 00018 in (para flujo completamente turbulento) seguacuten el diaacutemetro de la

tuberiacutea

CAPIacuteTULO I

33

Tabla 3 Longitud Equivalente de tuberiacutea recta (ft)

Tomado del Manual de Ingenieriacutea de Disentildeo de PDVSA Volumen 13ndashIII LndashTP 15

Caacutelculo Hidraacuteulico de Tuberiacuteas Procedimiento de Ingenieriacutea

123 BOMBEO DE LIacuteQUIDOS

1231 PRINCIPIOS DEL BOMBEO DE LIacuteQUIDOS [4]

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad de transportar eacutestos

de un lugar a otro a traveacutes de ductos o canales El movimiento de un fluido a traveacutes de

un ducto o canal se logra por medio de una transferencia de energiacutea Los medios

comuacutenmente empleados para lograr flujo en los fluidos son gravedad

CAPIacuteTULO I

34

desplazamiento fuerza centriacutefuga fuerza electromagneacutetica transferencia de cantidad

de movimiento (momento) impulso mecaacutenico o combinaciones de estos medios

Despueacutes de la gravedad el medio maacutes empleado es la fuerza centriacutefuga

12311 Desplazamiento

La descarga de un fluido de recipiente mediante desplazamiento parcial o

total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecaacutenicos es el

principio de funcionamiento de muchos dispositivos de transporte de fluidos En este

grupo se incluyen maacutequinas de diafragma y de pistoacuten de movimiento alternativo los

tipos de engranajes y paletas giratorias los compresores de pistoacuten para fluidos los

depoacutesitos ovalados para aacutecidos y los elevadores por accioacuten de aire

12312 Fuerza centriacutefuga

Cuando se utiliza fuerza centriacutefuga eacutesta es proporcionada por medio de una

bomba centriacutefuga o de un compresor Aunque variacutea mucho el aspecto fiacutesico de los

diversos tipos de compresores y bombas centriacutefugas la funcioacuten baacutesica de cada uno de

ellos es siempre la misma es decir producir energiacutea cineacutetica mediante la accioacuten de

una fuerza centriacutefuga y a continuacioacuten convertir parcialmente esta energiacutea en

presioacuten mediante la reduccioacuten eficiente de la velocidad del fluido en movimiento

En general los dispositivos centriacutefugos de transporte de fluidos tienen las

caracteriacutesticas siguientes

1 La descarga estaacute relativamente libre de pulsaciones

2 El disentildeo mecaacutenico se presta a flujos elevados lo que significa que las

limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema

3 Pueden asegurar un desempentildeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio

de presiones y capacidades incluso cuando funcionan a velocidad

constante

4 La presioacuten de descarga es una funcioacuten de la densidad del fluido

5 Son dispositivos de velocidad relativamente baja y maacutes econoacutemicos

CAPIacuteTULO I

35

1232 SELECCIOacuteN DE LA BOMBA

Al escoger bombas para cualquier servicio es necesario saber queacute liacutequido se

va a manejar cuaacutel es la carga dinaacutemica total las cargas de succioacuten y descarga y en la

mayor parte de los casos la temperatura la viscosidad la presioacuten de vapor y la

densidad relativa La tarea de seleccioacuten de bombas se complica con frecuencia por la

presencia de soacutelidos en el liacutequido y las caracteriacutesticas de corrosioacuten del liacutequido que

exigen materiales especiales de construccioacuten Los soacutelidos pueden acelerar la erosioacuten y

corrosioacuten tener tendencia a aglomerarse o pueden exigir un manejo delicado para

evitar la degradacioacuten indeseable

Debido a la gran variedad de tipos de bombas y la cantidad de factores que

determinan la seleccioacuten de cualquiera de ellas para una instalacioacuten especiacutefica el

disentildeador debe eliminar primero todas las que no ofrezcan posibilidades razonables

La seleccioacuten de los materiales de construccioacuten de bombas estaacute de acuerdo con las

consideraciones sobre corrosioacuten erosioacuten seguridad del personal y contaminacioacuten del

liacutequido [4]

1233 BOMBAS CENTRIacuteFUGAS

Las ventajas primordiales de una bomba centriacutefuga son la sencillez el bajo

costo inicial el flujo uniforme (sin pulsaciones) el pequentildeo espacio necesario para su

instalacioacuten los bajos costos de mantenimiento el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptacioacuten para su empleo con unidad motriz de motor eleacutectrico o de

turbina

Una bomba centriacutefuga en su forma maacutes simple consiste en un impulsor que

gira dentro de una carcasa Los impulsores pueden tener ejes de rotacioacuten horizontales

o verticales para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar Por lo comuacuten los

impulsores resguardados o de tipo cerrado suelen ser maacutes eficientes Los impulsores

de tipo abierto o semiabierto se emplean para liacutequidos viscosos o que contengan

CAPIacuteTULO I

36

materiales soacutelidos asiacute como tambieacuten en muchas bombas pequentildeas para servicios

generales [4]

124 TUBERIacuteAS PARA PLANTAS DE PROCESOS

1241 COacuteDIGO PARA TUBERIacuteAS A PRESIOacuteN [4]

El coacutedigo para tuberiacuteas a presioacuten (ASME B31) consiste en cierto nuacutemero de

secciones que constituyen en forma colectiva el coacutedigo Las secciones se publican

como documentos independientes por sencillez y conveniencia Las secciones

difieren sensiblemente unas de otras El alcance y aplicacioacuten del Coacutedigo B313 se

refiere a todas aquellas tuberiacuteas dentro de los liacutemites de las instalaciones dedicadas al

procesamiento y manejo de productos petroquiacutemicos y conexos salvo aquellos

proscritos por el coacutedigo

El Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping Code (ASME B313) es

una seccioacuten de ASME B31 derivado de la fusioacuten de los coacutedigos de tuberiacuteas para

plantas quiacutemicas (ASME B316) y refineriacuteas de petroacuteleo (ASME B313)

El American National Standards Institute (ANSI) y el American Petroleum

Institute (API) han establecido normas dimensionales para los componentes de

tuberiacuteas maacutes utilizados En las secciones del coacutedigo ASME B31 es posible encontrar

especificaciones sobre materiales de tuberiacuteas y accesorios y meacutetodos de prueba de la

American Society for Testing and Materials (ASTM) especificaciones de la

American Welding Society (AWS) y normas de la Manufacturers Standardization

Society of the Valve and Fitting Industry (MSS) Muchas de estas normas contienen

relaciones de presioacuten-temperatura que sirven como ayuda a los ingenieros en su

trabajo de disentildeo No obstante debe tenerse en cuenta que el empleo de normas

publicadas no elimina la necesidad de aplicar el criterio de ingenieriacutea

La introduccioacuten del coacutedigo establece requisitos de ingenieriacutea considerados

como necesarios para el disentildeo seguro y la construccioacuten de sistemas de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

37

Aunque la seguridad es la consideracioacuten baacutesica del coacutedigo no es el factor que

predomina en la especificacioacuten final de ninguacuten sistema de tuberiacutea a presioacuten

Los disentildeadores deben tener en cuenta que el coacutedigo no es un manual de

disentildeo y no se establece para evitar la necesidad de un criterio de ingenieriacutea

competente

1242 MATERIALES PARA SISTEMAS DE TUBERIacuteAS [4]

La seleccioacuten de materiales que resistan al deterioro a consecuencia del uso

estaacute fuera del alcance del coacutedigo ASME B313 no obstante la experiencia ha

ayudado a recopilar las siguientes consideraciones sobre los materiales

1) Posible exposicioacuten al fuego con respecto a la peacuterdida de elasticidad

temperatura de degradacioacuten punto de fusioacuten o combustibilidad de la tuberiacutea

o material de soporte

2) Capacidad del aislamiento teacutermico para proteger la tuberiacutea del fuego

3) Sensibilidad de la tuberiacutea a fallas quebradizas que puedan ocasionar una

peligrosa fragmentacioacuten o falla al choque teacutermico cuando se expone al

fuego

4) Sensibilidad de los materiales de la tuberiacutea al agrietamiento por corrosioacuten en

aacutereas donde existe estancamiento (juntas roscadas) o efectos electroliacuteticos

nocivos cuando el metal es puesto en contacto con otro metal diferente

5) La conveniencia de utilizar empaques sellos rellenos y lubricantes que sean

compatibles con el fluido que se maneja

6) El efecto refrigerante de peacuterdidas repentinas de presioacuten en fluidos volaacutetiles

al determinar la temperatura miacutenima de empleo esperada

CAPIacuteTULO I

38

12421 Precauciones sobre materiales especiacuteficos

Las siguientes son caracteriacutesticas que deben evaluarse cuando se utilicen

materiales metaacutelicos para la tuberiacutea

1 Hierro colado maleable y alto silicio (145) Su baja ductilidad y su

sensibilidad a los choques teacutermicos y mecaacutenicos

2 Acero al carbono y aceros de baja e intermedias aleaciones

- La posibilidad de resquebrajamiento cuando se manejen fluidos alcalinos o

caacuteusticos

- La posible degradacioacuten de carburos a grafito cuando se tenga una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 427degC Esto se debe

considerar para aleaciones de acero al carbono acero-niacutequel acero al

carbono-manganeso acero al manganeso-vanadio y acero al carbono-silicio

- La posible conversioacuten de carburos en grafito cuando se tiene una

prolongada exposicioacuten a temperaturas superiores a 468degC la aleacioacuten de

acero al carbono-molibdeno acero al manganeso-molibdeno-vanadio y

acero al cromo-vanadio

- Las ventajas de utilizar acero al silicio-carbono (01 de silicio como

miacutenimo) para temperaturas superiores a 480degC

- La posibilidad de ataque por hidroacutegeno cuando la tuberiacutea es expuesta a este

elemento o a soluciones acuosas aacutecidas en ciertas condiciones de presioacuten y

temperatura

- La posibilidad de que la tuberiacutea se deteriore cuando se exponga a sulfuro de

hidroacutegeno

3 Acero de altas aleaciones (inoxidable)

- La posibilidad de que la corrosioacuten llegue a tener proporciones importantes

cuando la tuberiacutea de aceros inoxidables austeniacuteticos se exponga a medios

como cloruros y haluros ya sea externa o internamente Lo anterior puede

CAPIacuteTULO I

39

ser el resultado de una seleccioacuten o aplicacioacuten inadecuada del aislamiento

teacutermico

- La sensibilidad a la corrosioacuten intergranular del acero inoxidable austeniacutetico

despueacutes de estar expuesto a temperaturas entre 427 y 871degC a menos que se

establezca o se utilice acero al carbono de bajo grado

- La posibilidad de un ataque intercristalino del acero inoxidable austeniacutetico

por contacto con zinc o plomo a temperaturas por encima de sus puntos de

fusioacuten o con muchos compuestos de zinc y plomo a temperaturas elevadas

similares

- La fragilidad del acero inoxidable ferriacutetico a temperatura ambiente

posterior al uso por encima de 370degC

4 Niacutequel y aleaciones a base de Niacutequel

- La sensibilidad al ataque superficial del niacutequel y aleaciones a base de niacutequel

que no contengan cromo cuando se expongan a pequentildeas cantidades de

azufre a temperaturas superiores a 315degC

- La sensibilidad al ataque superficial de las aleaciones a base de niacutequel que

contengan cromo a temperaturas superiores a 595degC en condiciones

reductoras y por encima de 760degC en condiciones oxidantes

- La posibilidad de un ataque por corrosioacuten en forma de grietas a aleaciones

de niacutequel-cobre en vapores de aacutecido fluorhiacutedrico si la aleacioacuten es sometida

a gran esfuerzo o contiene residuos de soldadura o del molde

5 Aluminio y aleaciones de aluminio

- La compatibilidad de los componentes roscados con aluminio para prevenir

la ligadura o atenazamiento en las uniones

- La posibilidad de corrosioacuten a causa del concreto mortero cal yeso y otros

materiales alcalinos empleados en la construccioacuten u otras estructuras

CAPIacuteTULO I

40

- La posibilidad de que las aleaciones 5154 5087 5083 y 5456 sufran

exfoliacioacuten o ataque intergranular y que la temperatura superior sea de

65degC a fin de evitar tal deterioro

6 Cobre y aleaciones de cobre

- La posibilidad de que las aleaciones de bronce se degraden en el contenido

de zinc

- La sensibilidad a la corrosioacuten por las aleaciones a base de cobre

- La posibilidad de formacioacuten de acetiluros inestables cuando se exponen a

acetileno

7 Titanio y aleaciones de titanio la posibilidad de que las tuberiacuteas de titanio y

sus aleaciones sufran deterioro cuando la temperatura sea superior a 315degC

8 Zirconio y aleaciones de zirconio la posibilidad de que se deteriore la

tuberiacutea cuando la temperatura sea superior a 315degC

9 Tantalio cuando la temperatura sea superior a 300degC existe la posibilidad de

que el tantalio reaccione con todos los gases excepto los inertes Por debajo

de esta temperatura la tuberiacutea puede ser quebradiza a consecuencia del

hidroacutegeno naciente (monoatoacutemico no molecular) El hidroacutegeno naciente se

produce por accioacuten galvaacutenica o surge a consecuencia de la corrosioacuten

originada por algunos componentes quiacutemicos

1243 SISTEMAS DE TUBERIacuteAS METAacuteLICAS DE ACERO AL

CARBONO Y ACERO INOXIDABLE [4]

Los sistemas de tuberiacuteas de metales ferrosos que incluyen los aceros

maleables al carbono e inoxidables son los que maacutes se utilizan y tienen mayor

cobertura de parte de las normas internacionales

CAPIacuteTULO I

41

12431 Tubos y tuberiacuteas

Se dividen en dos clases principales soldados y sin costura Las tuberiacuteas sin

costura como designacioacuten comercial son las tuberiacuteas hechas mediante el forjado de

un soacutelido circular su perforacioacuten mediante la rotacioacuten simultaacutenea y el paso obligado

sobre una punta perforada y su reduccioacuten mediante el laminado y el estiramiento Sin

embargo se producen tambieacuten tubos y tuberiacuteas sin costura mediante la extrusioacuten el

colado en moldes estaacuteticos o centriacutefugos la forja y la perforacioacuten La tuberiacutea sin

costura tiene la misma resistencia a lo largo de toda la pared Las tuberiacuteas sin costura

perforadas tienen con frecuencia la superficie interna exceacutentrica con relacioacuten a la

externa lo que da como resultado un espesor no uniforme en las paredes

Las tuberiacuteas soldadas se hacen con bandas laminadas conformadas en

cilindros y soldadas en las costuras por varios meacutetodos Se atribuye a las soldaduras

del 60 al 100 de la resistencia de las paredes de la tuberiacutea dependiendo de los

procedimientos de soldadura e inspeccioacuten Se pueden obtener diaacutemetros mayores y

razones maacutes bajas de espesores de las paredes respecto al diaacutemetro en las tuberiacuteas

soldadas que en las tuberiacuteas sin costura (aparte de las coladas) Se obtiene un espesor

uniforme de las paredes Las pruebas hidrostaacuteticas no revelan tramos muy cortos de

soldaduras completadas en forma parcial Esto presenta la posibilidad de que se

puedan desarrollar prematuramente fugas pequentildeas cuando se manejen fluidos

corrosivos o se exponga la tuberiacutea a la corrosioacuten externa Es preciso tomar en cuenta

la soldadura en los procedimientos de desarrollo para el acodamiento el abocinado y

la expansioacuten de las tuberiacuteas soldadas

Las combinaciones de espesor adicional tamantildeo adicional y espesor de pared

se encuentran disponibles para la manufactura de tubos Las clasificaciones maacutes

comunes de tubos son ldquoa presioacutenrdquo y ldquomecaacutenicardquo El espesor de pared (medido) se

especifica por la ldquopared mediardquo o ldquopared miacutenimardquo La pared miacutenima es maacutes costosa

que la pared media y a consecuencia de las tolerancias maacutes estrechas para espesor de

pared y diaacutemetro la medicioacuten para ambos sistemas hace que la tuberiacutea a presioacuten sea

maacutes costosa Sin embargo los tubos soldados de acero al carbono de pared media

CAPIacuteTULO I

42

resistentes a la electricidad con diaacutemetro externo de 2⅜ 2⅞ 3frac12 4frac12 in obtenidos de

bobinas sobre rodillos de formado progresivo y probadas electromagneacuteticamente maacutes

que a presioacuten compiten vigorosamente con las tuberiacuteas

12432 Juntas

Las tuberiacuteas se deben unir a otras tuberiacuteas y otros componentes El disentildeo

oacuteptimo requiere un trabajo de montaje miacutenimo y preveacute la misma resistencia que posee

la tuberiacutea para

1) Presioacuten interna en lo que se refiere a las fracturas y fugas

2) Momentos de torsioacuten que se producen al tender tramos largos de tuberiacuteas

entre los soportes o debido a la dilatacioacuten teacutermica en las tuberiacuteas con

acodamientos dobles

3) Deformacioacuten axial por la presioacuten interna que actuacutea sobre los cambios de

direccioacuten llaves ciegas y vaacutelvulas cerradas o por la contraccioacuten teacutermica en

los tramos rectos

4) Fractura o fugas en el caso de que se produzca alguacuten incendio

Las juntas de tuberiacuteas ideales estaacuten libres de cambios en cualquier dimensioacuten

de pasaje del flujo o la direccioacuten que incremente la caiacuteda de presioacuten o impida el

drenaje completo Estaraacute libre de hendiduras en las que se pueda acelerar la corrosioacuten

Requeriraacute un trabajo miacutenimo para su desmontaje Al efectuar la seleccioacuten seraacute preciso

tomar en cuenta la frecuencia con la que se tendriacutea que desmontar la junta En

teacuterminos generales las juntas faacuteciles de desmontar son deficientes en alguno de los

otros requisitos de las juntas ideales

Juntas soldadas La junta maacutes utilizada en los sistemas de tuberiacuteas es la de

soldadura por ensamble En todos los metales duacutectiles de tuberiacuteas que se pueden

soldar hay codos tes tuberiacuteas ramas laterales reductores tapones vaacutelvulas bridas y

juntas de abrazadera en V en todos los espesores de paredes con extremos preparados

para la soldadura por ensamble La resistencia de la junta igual a la tuberiacutea original

(con excepcioacuten de las tuberiacuteas endurecidas para el trabajo que se templan mediante la

CAPIacuteTULO I

43

soldadura) el patroacuten de flujo sin distorsiones y la resistencia generalmente iacutentegra a

la corrosioacuten compensan ampliamente la necesaria alineacioacuten cuidadosa del trabajo

competente y los equipos que se requieren

Soldaduras de bifurcaciones estas soldaduras eliminan la necesidad de

adquirir tes y no requieren maacutes metal de soldadura que estas uacuteltimas Donde la

bifurcacioacuten se acerque al tamantildeo del tramo principal se necesita una preparacioacuten

cuidadosa del extremo de la tuberiacutea ramificada y la del tramo principal se debilita

debido a la soldadura

12433 Codos y accesorios

Los cambios de direccioacuten de los sistemas de tuberiacuteas requieren curvas y

codos Las curvas se pueden hacer en friacuteo o en caliente La pared exterior se adelgaza

en una cantidad que variacutea con el procedimiento utilizado Se requiere un templado

subsiguiente en algunos materiales Para evitar las arrugas y el aplastamiento

excesivo es necesario el relleno con arena para el doblado en friacuteo dependiendo de las

relaciones del diaacutemetro exterior de la tuberiacutea respecto al radio de la liacutenea central de la

curva y al espesor de la pared de la tuberiacutea Para curvas con un radio de eje

correspondiente a cinco veces el diaacutemetro nominal de la tuberiacutea no se requiere

soporte interno cuando el espesor de la pared sea al menos del 6 del diaacutemetro

exterior de la tuberiacutea

Los codos se pueden formar mediante vaciado forja o conformacioacuten en

caliente o friacuteo mediante trozos cortados de tuberiacutea o al soldar piezas de tuberiacuteas

cortadas con un aacutengulo de inclinacioacuten El flujo en las curvas y los codos es maacutes

turbulento que en las tuberiacuteas rectas por lo que aumentan la corrosioacuten y la erosioacuten

Esto se puede contrarrestar al escoger un componente con mayor radio de curvatura

pared maacutes gruesa o un contorno interior maacutes liso pero raramente resulta econoacutemico

en los codos con aacutengulo de inclinacioacuten

CAPIacuteTULO I

44

12434 Vaacutelvulas

Los cuerpos de las vaacutelvulas pueden manufacturarse en hierro colado forjado

maquinado a partir de barras soacutelidas o fabricado a partir de placas soldadas Se

dispone de vaacutelvulas de acero con extremos roscados o casquillos de soldadura en los

tamantildeos maacutes pequentildeos Las vaacutelvulas con extremos roscados de bronce y latoacuten son

muy utilizadas para servicio de fluidos a baja presioacuten en sistemas de acero

Las vaacutelvulas sirven no soacutelo para regular el flujo de fluidos sino tambieacuten para

aislar equipos o tuberiacuteas para el mantenimiento sin interrumpir otras unidades

conectadas El disentildeo de la vaacutelvula deberaacute evitar que los cambios de presioacuten y

temperatura y las deformaciones de las tuberiacuteas conectadas distorsionen o

establezcan una mala alineacioacuten en las superficies de sellado Estas uacuteltimas deberaacuten

ser de material y disentildeo tales que la vaacutelvula permanezca hermeacutetica durante un periodo

de servicio razonable

Vaacutelvulas de compuerta estas vaacutelvulas se disentildean en dos tipos La compuerta

de cuntildea del tipo de asiento inclinado es la que maacutes se utiliza La compuerta de cuntildea

suele ser soacutelida pero es posible que sea tambieacuten flexible (cortada parcialmente en

mitades por un plano en aacutengulo recto con la tuberiacutea) o dividida (cortada

completamente por ese plano) Las cuntildeas flexibles y divididas minimizan el raspado

de la superficie de sellado al distorsionarse con mayor facilidad para coincidir con

los asientos de mala alineacioacuten angular En el tipo de asiento paralelo y disco doble

un dispositivo de plano inclinado montado entre los discos convierte la fuerza del

vaacutestago en fuerza axial oprimiendo los discos contra los asientos despueacutes que se

situacutean en su posicioacuten adecuada para el cierre

Vaacutelvulas de globo eacutestas se disentildean con vaacutestago ascendente de rosca interna o

externa Las vaacutelvulas pequentildeas son generalmente del tipo de rosca interna mientras

que en los tamantildeos mayores se prefiere el de rosca externa En la mayor parte de los

disentildeos los discos tienen la libertad de girar sobre los vaacutestagos esto evita las

raspaduras entre el disco y el asiento

CAPIacuteTULO I

45

Vaacutelvulas angulares estas vaacutelvulas son similares a las de globo se utilizan en

ambos casos los mismos casquetes vaacutestagos y discos Combinan un codo y una

vaacutelvula de globo en un componente con ahorro importante de caiacuteda de presioacuten Las

vaacutelvulas angulares bridadas son maacutes faacuteciles de retirar y reemplazar que las de globo

bridadas

Vaacutelvulas de diafragma estas vaacutelvulas se limitan a presiones de

aproximadamente 50 psi Los diafragmas reforzados con tela se pueden hacer de

caucho natural un hule sinteacutetico o cauchos naturales o sinteacuteticos recubiertos con

tefloacuten Estas vaacutelvulas son excelentes para los fluidos con soacutelidos en suspensioacuten y se

pueden instalar en cualquier posicioacuten

Llaves de macho o tapoacuten estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas por debajo

de 260degC puesto que la expansioacuten diferencial entre el tapoacuten y el cuerpo hace que se

atore El tamantildeo y la forma del orificio divide esas vaacutelvulas en tipos diferentes

venturi corto orificio rectangular reducido venturi largo orificio rectangular

completo y orificio redondo completo

Vaacutelvulas de bola estas vaacutelvulas se limitan a temperaturas que tienen pocos

efectos sobre sus asientos de plaacutestico Puesto que el elemento sellador es una bola su

alineacioacuten con el eje del vaacutestago no es esencial para el cierre hermeacutetico En las

vaacutelvulas de bola libre la esfera se puede desplazar en sentido axial El diferencial de

presioacuten a traveacutes de la vaacutelvula obliga a la bola en posicioacuten cerrada a oprimirse contra

el asiento de corriente abajo y este uacuteltimo contra el cuerpo En las vaacutelvulas de bola

fija la bola gira sobre extensiones del vaacutestago y los cojinetes se sellan con anillos en

O

Vaacutelvulas de mariposa estas vaacutelvulas ocupan menos espacio en la liacutenea que

cualquier otra vaacutelvula Se logra un sellado relativamente hermeacutetico sin desgaste

excesivo de los asientos ni un esfuerzo operacional de torsioacuten demasiado grande

mediante diversos meacutetodos como asientos elaacutesticos anillos de pistoacuten sobre el disco e

inclinacioacuten del vaacutestago para limitar el contacto entre las porciones del disco maacutes

cercanas al vaacutestago y el asiento del cuerpo en unos cuantos grados de curvatura

CAPIacuteTULO I

46

Vaacutelvulas de retencioacuten de columpio estas vaacutelvulas se utilizan para evitar la

inversioacuten del flujo El disentildeo normal es para emplearse solamente en liacutenea horizontal

donde la fuerza de gravedad sobre el disco sea maacutexima al comienzo del cierre y

miacutenima al final

1244 DISENtildeO DE SISTEMAS DE TUBERIacuteAS

12441 Seguridad

La seguridad se puede definir como la estipulacioacuten de medidas de proteccioacuten

que se requieren para asegurar una operacioacuten sin riesgos de un sistema propuesto de

tuberiacutea Entre las consideraciones generales a evaluar deberiacutean contarse las

siguientes

1) Las caracteriacutesticas peligrosas del fluido a manejar

2) La cantidad de fluido que se escaparaacute a consecuencia de una falla en la

tuberiacutea

3) El efecto de una falla (por ejemplo peacuterdidas de agua de enfriamiento) en la

seguridad de toda la planta

4) Evaluacioacuten de los efectos de una reaccioacuten con el medio ambiente

5) El probable grado de exposicioacuten del personal de operacioacuten o mantenimiento

6) La seguridad de la tuberiacutea seguacuten los materiales de construccioacuten meacutetodos de

unioacuten y el servicio que recibiraacute la tuberiacutea

12442 Condiciones de disentildeo

Las definiciones de temperaturas presiones y otros aspectos aplicables al

disentildeo de sistemas de tuberiacuteas se muestran a continuacioacuten

Presioacuten de disentildeo La presioacuten de disentildeo de un sistema de tuberiacuteas no seraacute

menor que la presioacuten en las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura para el espesor mayor o relacioacuten presioacuten-temperatura requerida [4]

CAPIacuteTULO I

47

Temperatura de disentildeo La temperatura de disentildeo es la temperatura del

material representativa para las condiciones conjuntas maacutes severas de presioacuten y

temperatura Cuando se trate de tuberiacutea metaacutelica no aislada con fluido a una

temperatura inferior a 38degC la temperatura del metal seraacute considerada como la

temperatura del fluido

Cuando un fluido se encuentre a una temperatura igual o superior a 38degC y la

tuberiacutea no tenga aislamiento externo la temperatura del metal seraacute tomada como un

porcentaje de la temperatura del fluido a menos que se determine una temperatura

maacutes baja por experimentacioacuten o caacutelculo Para tuberiacutea vaacutelvulas roscadas y con

extremos soldados accesorios y otros componentes con un espesor de pared

comparable al de esa tuberiacutea el porcentaje seraacute de 95 para bridas vaacutelvulas y

accesorios bridados seraacute de 90 para bridas con junta de solapa seraacute de 85 y para

pernos de 80 [4]

Influencias ambientales Cuando el enfriamiento provoque vaciacuteo en la liacutenea

el disentildeo debe estipular alguacuten rompedor de vaciacuteo o presioacuten externa tambieacuten debe

considerarse la expansioacuten teacutermica de objetos atrapados entre las vaacutelvulas cerradas [4]

La caracteriacutestica de ciertos servicios es la variacioacuten ocasional de la presioacuten o

temperatura o ambas variables por debajo de los niveles de operacioacuten pero no deben

tomarse en cuenta estas variaciones si se han cumplido los criterios citados Por otra

parte las condiciones maacutes graves de presioacuten y temperatura coincidentes durante la

variacioacuten seraacuten las que se empleen para establecer las condiciones de disentildeo

Se deben satisfacer los siguientes criterios

1 El sistema no debe tener componentes de hierro colado u otro metal no duacutectil

expuestos a presioacuten

2 Los esfuerzos nominales de presioacuten no deben exceder el esfuerzo elaacutestico a la

temperatura especificada

3 Los esfuerzos longitudinales combinados no deben exceder los liacutemites

establecidos en el coacutedigo ASME

CAPIacuteTULO I

48

4 El nuacutemero de ciclos (variaciones) no debe exceder el valor 7000 durante la

vida del sistema de tuberiacutea

5 Las variaciones ocasionales por encima de lo establecido en las condiciones

de disentildeo deben estar dentro de uno de los liacutemites siguientes para el disentildeo de

la presioacuten

a) Cuando la variacioacuten no persista un tiempo superior a 10 horas en cada

ocasioacuten y 100 horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el

esfuerzo permisible para la presioacuten de disentildeo a la temperatura de la

condicioacuten incrementada en un valor no mayor a 33

b) Cuando la variacioacuten no persista maacutes de 50 horas en cada ocasioacuten y 500

horas por antildeo se podraacute exceder la relacioacuten de presioacuten o el esfuerzo

permisible para el disentildeo de presioacuten a la temperatura de la condicioacuten

incrementada en un valor no mayor al 20

Efectos dinaacutemicos El disentildeo de estos sistemas debe contar con prevenciones

contra impacto (como choques hidraacuteulicos) viento (cuando la tuberiacutea estaacute expuesta a

eacuteste) terremotos reacciones de descarga y vibraciones (de tuberiacuteas y soportes)

Las consideraciones respecto al peso deben incluir cargas vivas (contenido

hielo y nieve) cargas muertas (tuberiacutea vaacutelvulas aislamiento etc) y cargas de prueba

(fluidos de prueba) [4]

12443 Criterios de disentildeo tuberiacuteas metaacutelicas

El coacutedigo ASME utiliza tres meacutetodos diferentes para abordar el disentildeo

1 Preveacute la utilizacioacuten de componentes dimensionalmente normalizados en

sus relaciones de presiones y temperaturas

2 Proporciona foacutermulas de disentildeo y esfuerzos maacuteximos

3 Prohiacutebe la utilizacioacuten de materiales componentes o meacutetodos de montaje

en ciertas condiciones

CAPIacuteTULO I

49

12444 Disentildeo de presioacuten de componentes metaacutelicos

Espesor de las paredes La evaluacioacuten del esfuerzo de presioacuten externa de las

tuberiacuteas es la misma que para los recipientes de presioacuten sin embargo existe una

diferencia importante cuando se establece una presioacuten de disentildeo y un espesor de las

paredes para la presioacuten interna como resultado del requisito del ASME Boiler and

Pressure Vessel Code que el ajuste de la vaacutelvula de purga no debe ser superior a la

presioacuten de disentildeo Para los recipientes esto quiere decir que el disentildeo es para una

presioacuten de 10 maacutes o menos por encima de la presioacuten de operacioacuten maacutexima

esperada con el fin de evitar las fugas de la vaacutelvula durante el funcionamiento

normal No obstante en las tuberiacuteas la temperatura y la presioacuten de disentildeo se

consideran como la combinacioacuten maacutexima esperada de presioacuten de operacioacuten y

temperatura que dan como resultado el espesor maacuteximo [4]

Bajo la normativa del coacutedigo ASME B313 [1] para tuberiacuteas metaacutelicas rectas

con presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm

se da a continuacioacuten y es aplicable para razones de Dot mayores de 6 Las ecuaciones

maacutes conservadoras de Barlow y Lameacute pueden ser utilizadas tambieacuten La ecuacioacuten 32

incluye un factor Y que variacutea con el material y la temperatura para considerar la

redistribucioacuten de esfuerzos perimetrales que se producen con flujo en estado

estacionario a altas temperaturas y permite espesores ligeramente menores en este

intervalo

( ) cYPSE

DPt o

m ++

=2

Ec 32

Donde P= presioacuten interna maacutexima

Do= diaacutemetro exterior de la tuberiacutea

c= suma de la tolerancia mecaacutenica y las tolerancias por erosioacuten y

corrosioacuten

SE= esfuerzo permisible

CAPIacuteTULO I

50

S= esfuerzo baacutesico permisible para los materiales excluyendo juntas

materiales fundidos o factores de calidad de grado estructural

Y= coeficiente cuyos valores para materiales ferrosos duacutectiles variacutean

entre 04 y 07 para materiales ferrosos no duacutectiles es de 04 y para materiales

fraacutegiles es 0 como el hierro colado

Factor de calidad (E) es uno o el producto de maacutes de uno de los siguientes

factores de calidad factor de calidad de fundiciones (Ec) factor de calidad de

uniones (Ej) y factor de calidad de grado estructural (Es) de 092

Las vaacutelvulas deben estar de acuerdo con las normas aplicables que se dan en

el coacutedigo y con los liacutemites permisibles de presioacuten y temperatura que se establecen en

eacutel sin que vayan maacutes allaacute de las limitaciones de materiales o servicio que establece el

coacutedigo

El espesor de los codos de tuberiacuteas se debe determinar como para las tuberiacuteas

rectas a condicioacuten de que la operacioacuten de doblado no deacute como resultado una

diferencia entre el diaacutemetro maacuteximo y el miacutenimo de maacutes de 8 y 3 del diaacutemetro

exterior nominal de la tuberiacutea para presioacuten interna y externa respectivamente

12445 Expansioacuten teacutermica y flexibilidad de tuberiacuteas metaacutelicas [4]

El coacutedigo ASME B313 requiere que los sistemas de tuberiacuteas se disentildeen para

que tengan suficiente flexibilidad y evitar asiacute que la expansioacuten o la contraccioacuten

teacutermica o el movimiento de soportes o terminales de la tuberiacutea provoquen alguna de

las dificultades siguientes

- Fallas en los soportes de las tuberiacuteas debidas a las fatigas o esfuerzos

excesivos

- Fugas en las juntas

- Esfuerzos o distorsiones perjudiciales en las tuberiacuteas o en los equipos

conectados (como bombas turbinas o vaacutelvulas) debido a los excesivos

empujes axiales o movimientos en las tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

51

Deformaciones por desplazamiento Las deformaciones se ocasionan por una

tuberiacutea que se desplaza de su posicioacuten original

1 Desplazamientos teacutermicos un sistema de tuberiacuteas sufriraacute cambios

dimensionales a consecuencia de cambios en la temperatura Si se

restringe el movimiento libre con terminales guiacuteas y anclajes seraacute

desplazado de su posicioacuten original

2 Desplazamientos por reaccioacuten si las restricciones no son riacutegidas y existe

un movimiento predecible de estos accesorios bajo carga eacuteste podriacutea

considerarse como desplazamiento de compensacioacuten

3 Desplazamientos impuestos externamente cuando externamente se crean

movimientos de las restricciones eacutestos impondraacuten un desplazamiento a la

tuberiacutea ademaacutes de los relacionados con los efectos teacutermicos Estos

movimientos pueden originarse por causas como corrientes de aire o

cambios de temperatura en equipos conectados

Deformaciones de desplazamiento total Los desplazamientos teacutermicos los

desplazamientos por reaccioacuten y los desplazamientos impuestos externamente tienen

efectos equivalentes sobre los sistemas de tuberiacuteas y deben considerarse en conjunto

para determinar las deformaciones por desplazamiento total en un sistema de tuberiacuteas

Las deformaciones por expansioacuten se pueden considerar en tres formas por

doblez torsioacuten o compresioacuten axial En los primeros dos casos el esfuerzo maacuteximo

ocurre en las fibras extremas de la seccioacuten transversal de la zona criacutetica En el tercer

caso el aacuterea entera de la seccioacuten transversal seraacute sometida al mismo esfuerzo en toda

la longitud de la tuberiacutea

La flexibilidad torsional o por doblez puede obtenerse por codos abrazaderas

o tuberiacuteas no alineadas por tuberiacutea corrugada o juntas de expansioacuten tipo fuelle o por

otros dispositivos que permitan el movimiento rotacional Estos dispositivos deben

anclarse o conectarse de forma tal que resistan las fuerzas terminales de la presioacuten del

fluido que tengan resistencia friccional al movimiento de la tuberiacutea y otras causas

CAPIacuteTULO I

52

La flexibilidad axial puede obtenerse mediante juntas de expansioacuten de los

tipos deslizante o de fuelle adecuadamente ancladas y orientadas para resistir las

fuerzas terminales de la presioacuten del fluido y deben tener resistencia friccional al

movimiento y otras causas

Esfuerzos de desplazamiento Los esfuerzos se pueden considerar como

proporcionales a la deformacioacuten total que causan soacutelo si la deformacioacuten estaacute

uniformemente distribuida y no es excesiva en ninguacuten punto La distribucioacuten irregular

de deformaciones (sistemas equilibrados) puede resultar de

1 Tuberiacuteas de dimensiones pequentildeas sometidas a un gran esfuerzo en serie

con tuberiacutea relativamente riacutegida de grandes dimensiones

2 La reduccioacuten local en tamantildeo o espesor de pared o empleo local de un

material que tiene una fuerza elaacutestica reducida

3 Una configuracioacuten de recubrimiento en un sistema de tamantildeo uniforme

en el cual la expansioacuten o contraccioacuten debe absorberse con una

desalineacioacuten corta en la mayor parte de la tuberiacutea

Si los esquemas desequilibrados de tuberiacutea no pueden evitarse se deben

aplicar meacutetodos analiacuteticos apropiados con objeto de asegurar la flexibilidad adecuada

del sistema Si el disentildeador determina que un sistema no tiene una adecuada

flexibilidad inherente debe proporcionar flexibilidad adicional mediante la adicioacuten de

codos abrazaderas tramos de tuberiacutea en S juntas de torniquete tuberiacutea corrugada

juntas de expansioacuten de los tipos de fuelle o deslizante u otros dispositivos Tambieacuten

debe contarse con un anclaje adecuado

Mientras que los esfuerzos resultantes de una deformacioacuten teacutermica tienden a

disminuir con el tiempo la diferencia algebraica de ese desplazamiento y la condicioacuten

original o cualquier condicioacuten anticipada del sistema con un mayor efecto opuesto

que en la condicioacuten de desplazamiento extremo que permaneceraacute constante durante

cualquier ciclo de operacioacuten

CAPIacuteTULO I

53

Muelle enfriado El muelle enfriado es la deformacioacuten intencional que se crea

en una tuberiacutea durante su ensamblaje con objeto de producir un esfuerzo y

desplazamiento inicial deseado Cuando una tuberiacutea se va a utilizar a una temperatura

mayor a la cual se instala el muelle enfriado es adecuado al hacer que la longitud de

la tuberiacutea sea ligeramente maacutes corta que la obtenida en el disentildeo El muelle enfriado

es beneacutefico pues ayuda a equilibrar la magnitud del esfuerzo en condiciones de

desplazamiento inicial y extremo

Requisitos para el anaacutelisis No es necesario realizar un anaacutelisis formal de la

flexibilidad requerida en sistemas que

a Son copias de instalaciones que se encuentran operando bien o tienen

sustituciones poco significativas de sistemas que cuentan con una historia

de servicio satisfactoria

b Pueden ser juzgados raacutepidamente con una adecuada comparacioacuten con

sistemas ya analizados

c Son de dimensioacuten uniforme y no tienen maacutes de dos puntos de fijacioacuten ni

tienen restricciones intermedias ademaacutes de caer dentro de los liacutemites de

la ecuacioacuten empiacuterica siguiente

( ) 222

KULyD

leminus

Ec 33

Donde y= resultante de la deformacioacuten por desplazamiento total a ser

absorbida por el sistema

L2= longitud desarrollada de la tuberiacutea entre anclajes

U= distancia de anclajes liacutenea recta entre anclajes

K2= 003 para unidades inglesas

- Todos los sistemas que no cumplan estos criterios seraacuten analizados por

meacutetodos de anaacutelisis simplificados aproximados o completos que sean

adecuados para cada caso especiacutefico

CAPIacuteTULO I

54

- Los meacutetodos de aproximacioacuten o simplificacioacuten soacutelo pueden ser aplicados

en el intervalo de configuraciones para las que se ha demostrado su

adaptabilidad

- Entre los meacutetodos de anaacutelisis aceptables se cuentan los meacutetodos

analiacuteticos y de graacuteficas que proporcionan una evaluacioacuten de las fuerzas

momentos y esfuerzos causados por las deformaciones por

desplazamiento

- El anaacutelisis tomaraacute en cuenta los factores de intensificacioacuten de esfuerzo

para cualquier componente diferente de la tuberiacutea recta Se debe tener en

cuenta la flexibilidad extra de ese componente

Cuando se calcula la flexibilidad de un sistema de tuberiacutea entre puntos de

anclaje el sistema debe tratarse como un todo Deberaacute reconocerse la importancia de

todas las partes de la liacutenea y las restricciones introducidas con el propoacutesito de reducir

momentos y fuerzas en el equipo o pequentildeas ramificaciones y tambieacuten las

restricciones introducidas por la friccioacuten de soportes Es necesario considerar todos

los desplazamientos dentro del intervalo de temperaturas determinado por las

condiciones de operacioacuten y fuera de servicio

12446 Soportes de tuberiacuteas

Las cargas transmitidas por las tuberiacuteas a los equipos conectados y los

elementos de soporte incluyen peso efectos inducidos por la temperatura y la

presioacuten vibraciones el viento los sismos los choques la expansioacuten y contraccioacuten

teacutermica El disentildeo de soportes y restricciones se basa en cargas que actuacutean de modo

concurrente suponiendo que no se ejerzan simultaacuteneamente los sismos y el viento

Los soportes elaacutesticos y de tipo de esfuerzo constante se deben disentildear para

las condiciones maacuteximas de carga incluyendo las de prueba a menos que se

proporcionen soportes temporales [4]

El coacutedigo sentildeala ademaacutes que los elementos de soporte de tuberiacuteas deben

CAPIacuteTULO I

55

1) Evitar las interferencias excesivas para la expansioacuten y la contraccioacuten

teacutermica de la tuberiacutea que de otro modo tiene la flexibilidad adecuada

2) Ser de iacutendole tal que no contribuyan a que se produzcan fugas en las

juntas o un pandeo excesivo de las tuberiacuteas que requiera drenaje

3) Disentildearse para evitar los esfuerzos la resonancia o la desconexioacuten

debido a las variaciones de la carga con la temperatura y que los

esfuerzos longitudinales combinados que se ejercen sobre la tuberiacutea no

sobrepasen lo permitido en el coacutedigo

4) Ser de iacutendole tal que se evite una liberacioacuten completa de la carga sobre la

tuberiacutea en el caso de una mala alineacioacuten o la falla de alguacuten resorte la

transferencia de pesos o las cargas adicionales debidas a las pruebas

durante la instalacioacuten

5) Ser de acero o hierro forjado

6) Ser de acero de aleacioacuten o protegerse de la temperatura en los lugares en

que se sobrepasen los liacutemites de temperatura adecuados para el acero al

carbono

7) No ser hierro colado excepto para bases de rodillos rodillos bases de

anclaje etc principalmente bajo cargas de compresioacuten

8) No ser de hierro maleable ni nodular con excepcioacuten de las abrazaderas de

tuberiacuteas las abrazaderas de vigas las bridas de soportes los sujetadores

las bases y los anillos giratorios

9) No ser de madera excepcioacuten hecha de los soportes sometidos

primordialmente a compresioacuten donde la temperatura de la tuberiacutea se

encuentre al nivel del ambiente o por debajo de eacutel

10) Tener roscas para ajustes atornillados que se conformen a las

especificaciones del Coacutedigo ASME B11

CAPIacuteTULO I

56

12447 Golpe de Ariete [6]

El golpe de ariete se puede presentar en una tuberiacutea que conduzca un liacutequido

cuando se tiene un frenado o una aceleracioacuten en el flujo por ejemplo el cambio de

abertura de una vaacutelvula en la liacutenea Al cerrarse raacutepidamente una vaacutelvula en la tuberiacutea

durante el escurrimiento el flujo a traveacutes de la vaacutelvula se reduce lo cual incrementa

la carga del lado aguas arriba de la vaacutelvula iniciaacutendose asiacute un pulso de alta presioacuten

que se propaga en direccioacuten contraria a la del escurrimiento Este pulso de presioacuten

hace que la velocidad del flujo disminuya La presioacuten en el lado aguas abajo de la

vaacutelvula se reduce y la onda de presioacuten disminuida viaja en el sentido del

escurrimiento disminuyendo tambieacuten la velocidad del flujo Si el cierre de la vaacutelvula

es suficientemente raacutepido y si la presioacuten permanente original es suficientemente baja

se puede formar una bolsa de vapor aguas abajo de la vaacutelvula cuando esto ocurre la

cavidad de vapor puede eventualmente reducirse en forma violenta y producir una

onda de alta presioacuten que se propaga en la direccioacuten aguas abajo

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la

tuberiacutea ya que las ondas de sobrepresioacuten se cargaraacuten de maacutes energiacutea e inversamente

proporcional al tiempo durante el cual se cierra la vaacutelvula cuanto menos dura el

cierre maacutes fuerte seraacute el golpe

El problema del golpe de ariete es uno de los maacutes complejos de la

hidraacuteulica y es resuelto generalmente mediante modelos matemaacuteticos que permiten

simular el comportamiento del sistema Este fenoacutemeno es muy peligroso ya que la

sobrepresioacuten generada puede llegar entre 60 y 100 veces a la presioacuten normal de la

tuberiacutea ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vaacutelvulas hay que

estrangular gradualmente la corriente de fluido es decir cortaacutendola con lentitud

utilizando para ello por ejemplo vaacutelvulas de rosca Cuanto maacutes larga es la tuberiacutea

tanto maacutes deberaacute durar el cierre

CAPIacuteTULO I

57

Sin embargo cuando la interrupcioacuten del flujo se debe a causas

incontrolables como por ejemplo la parada brusca de una bomba eleacutectrica se utilizan

tanques neumaacuteticos con caacutemara de aire comprimido torres piezomeacutetricas o vaacutelvulas

que puedan absorber la onda de presioacuten

1245 FABRICACIOacuteN MONTAJE E INSTALACIOacuteN

12451 Soldadura

Los requisitos del coacutedigo referente a la fabricacioacuten son maacutes detallados para la

soldadura que para otros meacutetodos de unioacuten ya que la soldadura no soacutelo se utiliza para

unir dos tuberiacuteas extremo a extremo sino que sirve tambieacuten para fabricar accesorios

que reemplazan a los accesorios sin costura como codos y juntas de solapa de punta

redonda Los requisitos del coacutedigo para el proceso de soldado son esencialmente los

mismos que los de la seccioacuten IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code excepto

que los procesos de soldado no se restringen el agrupamiento del material debe estar

de acuerdo al apeacutendice A del Coacutedigo ASME y las posiciones de la soldadura

corresponder a la posicioacuten de la tuberiacutea [4]

12452 Doblado y formacioacuten

La tuberiacutea puede doblarse en cualquier radio para el cual la superficie del

arco de la curvatura esteacute libre de grietas y pandeos Estaacute permitido el empleo de

dobleces estriados o corrugados El doblado puede efectuarse mediante cualquier

meacutetodo en friacuteo o en caliente siempre que se cumplan las caracteriacutesticas del material

que se estaacute doblando y el radio de la tuberiacutea doblada esteacute dentro [4]

Algunos materiales requieren un tratamiento teacutermico una vez que ya se han

doblado lo que dependeraacute de la severidad del doblado En el coacutedigo se explican

detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este tratamiento

CAPIacuteTULO I

58

12453 Precalentamiento y tratamiento teacutermico

Estos tratamientos sirven para prevenir o corregir los defectos nocivos de las

altas temperaturas o gradientes teacutermicos severos inherentes a la unioacuten por soldadura

de los metales Ademaacutes de esto puede ser necesario someter el material a tratamiento

teacutermico con objeto de corregir los efectos de esfuerzo creados durante el doblado o

formado de los metales [4]

13 PROPIEDADES PRINCIPALES DE LA HERRAMIENTA

PIPESIMreg2003 [5]

131 Disentildeo y Anaacutelisis de tuberiacuteas y facilidades

El entendimiento detallado de la termo-hidraacuteulica del sistema de produccioacuten

es criacutetico para el disentildeo de liacuteneas de flujo y los caacutelculos del mismo PIPESIMreg

software de anaacutelisis de sistema de produccioacuten proporciona un instrumento completo

para analizar sistemas complejos de tuberiacutea con flujo multifaacutesico

Con sus moacutedulos interconectados este programa permite construir un

modelo completamente integrado del sistema de produccioacuten entero conectando con

simuladores de yacimiento y de proceso tales como el ECLIPSEreg software de

simulacioacuten de yacimiento y HYSYSreg simulador de procesos de AspenTech

132 Modelaje de flujo multifaacutesico

El programa incorpora todas las correlaciones actuales de flujo multifaacutesico

utilizados en la industria tanto empiacutericas como mecaniacutesticas para predecir el

reacutegimen de flujo la peacuterdida de presioacuten y retencioacuten de liacutequidos Esto permite disentildear y

operar el sistema de produccioacuten y distribucioacuten con confianza

Este simulador produce mapas detallados de reacutegimen de flujo en la tuberiacutea a

las condiciones de operacioacuten incorporando todos los aacutengulos de inclinacioacuten

PIPESIMreg utiliza las velocidades superficiales in-situ del gas y liacutequido para

identificar el patroacuten de flujo en cada nodo del sistema permitiendo determinar el

hold-up y la distribucioacuten de presioacuten en el sistema de tuberiacuteas

CAPIacuteTULO I

59

Predecir slugs su tamantildeo y frecuencia permite optimizar el disentildeo de

tuberiacuteas y facilidades de procesamiento El simulador OLGA-Sreg y los modelos de

TUFFP se pueden utilizar para identificar estas caracteriacutesticas criacuteticas del flujo

hidrodinaacutemico tipo slug El programa predice tambieacuten la ocurrencia de flujo slug

en inclinaciones de la tuberiacutea

133 Modelos de Fluido

El modelaje exacto del liacutequido producido es criacutetico para la comprensioacuten

del comportamiento del sistema por lo tanto el simulador ofrece la eleccioacuten entre

correlaciones standard de petroacuteleo negro o una gama de modelos composicionales

EOS

134 Certeza del tipo de flujo

PIPESIMreg predice la formacioacuten de hidratos e incluye la habilidad de modelar

los efectos de inhibidores de hidratos Modelando el perfil de la temperatura de la

liacutenea de flujo puede disentildear el sistema en torno a estos problemas

Dicho software incluye tambieacuten rutinas de caacutelculo para determinar los liacutemites

erosivos de la velocidad de la tuberiacutea permitiendo disentildear operaciones seguras en la

misma

135 Disentildeo de equipos de superficie

El programa incluye los modelos de los equipos de superficie comunes para

determinar su impacto en el disentildeo del sistema Ademaacutes las opciones sofisticadas de

sensibilidades en el simulador se pueden utilizar tambieacuten para disentildear sistemas

variando los paraacutemetros claves del sistema permitiendo asiacute la determinacioacuten de los

tamantildeos oacuteptimos de tuberiacutea y equipos a ser utilizados

Los moacutedulos contienen los siguientes equipos

bull Separadores

bull Bombas y motores auxiliares de propulsioacuten multifaacutesicos

bull Compresores y expansores

bull Calentadores y enfriadores

bull Estranguladores

CAPIacuteTULO I

60

136 Moacutedulo de Anaacutelisis de redes de tuberiacutea

Para un anaacutelisis completo del sistema PIPESIMreg ofrece opciones para

modelar redes complejas que pueden incluir lazos liacuteneas paralelas y by-pass El

algoritmo robusto de la solucioacuten puede modelar la unioacuten distribucioacuten e inyeccioacuten de

la red

Explica detalladamente la termo-hidraacuteulica del sistema que es criacutetica para el

disentildeo de la liacutenea de flujo y el reacutegimen de flujo especialmente para sistemas

multifaacutesicos complejos Esto daraacute las herramientas para emprender el anaacutelisis tiacutepico

de la red incluyendo

bull Identificar embotellamientos de la produccioacuten y limitaciones

bull Valorar los beneficios de nuevos pozos tuberiacuteas adicionales compresioacuten etc

bull Calcular la capacidad de manejo desde el campo hasta el sistema de retencioacuten

bull Predecir los perfiles de presioacuten y temperatura por redes complejas de flujo

bull Planificar el desarrollo de campo

bull Resolver redes de fondo encontradas en pozos multilaterales

Una vez construida la red de produccioacuten se pueden introducir los elementos

de tiempo para analizar el impacto del desempentildeo del yacimiento en la estrategia de

desarrollo del campo

PIPESIMreg permite

minus Modelar flujo multifaacutesico desde el yacimiento a traveacutes de las facilidades

de produccioacuten hasta su punto de entrega

minus Dirigir redes complejas de produccioacuten y captar las interacciones entre

pozos tuberiacuteas y equipos de proceso

minus Realizar un anaacutelisis completo de sensibilidades en cualquier punto del

sistema hidraacuteulico usando muacuteltiples paraacutemetros

minus Simular el sistema de produccioacuten del campo para mejorar la produccioacuten

tomar mejores decisiones y obtener precios maacutes competitivos

minus Conexioacuten con el simulador de procesos HYSYSreg para un anaacutelisis

integrado desde la cara de la arena hasta las facilidades de

procesamiento

CAPIacuteTULO II

61

CAPIacuteTULO II DESARROLLO DEL DISENtildeO

DESARROLLO DEL DISENtildeO

21 CONDICIONES DE DISENtildeO

211 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Tomando como referencia las hojas de seguridad e higiene industrial de

PDVSA de cada uno de los fluidos involucrados en el proyecto asiacute como tambieacuten las

propiedades de los fluidos suministradas por cada una de las empresas mixtas se

logra hacer un cuadro resumen con la informacioacuten de cada uno de estos productos

quiacutemicos Ver anexos 1 2 y 3

Tabla 4 Propiedades de los fluidos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol MTBE ISO-OCTANO

CH3OH CH3OH C5H12O C8H18

Alcohol metiacutelico

Alcohol metiacutelico Metil terbutil eacuteter 224 trimetil

pentano Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Gravedad especiacutefica CS 0796 0796 0747 0696

Viscosidad dinaacutemica (cP) 45degC 042 042 027 038

Peso Molecular 3205 3205 8814 11422

Punto de ebullicioacuten (degC) 147psi 648 648 55 993

Presioacuten de vapor (psia) 45degC 41 41 83 17

Punto de fusioacuten (degC) -978 -978 -109 -107365

Punto de ignicioacuten (degC) 470 470 224 410

Calor de fusioacuten (calg) 237 237 - 19278

Forma y color Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro Liacutequido incoloro

en agua Solubilidad en alcohol en eacuteter

Soluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporcionesSoluble en todas las proporciones

Ligeramente soluble Soluble

-

Insoluble Ligeramente soluble

Soluble

Liacutemites de () inferior inflamabilidad superior

67 365

16 151

- -

CAPIacuteTULO II

62

212 CONFIGURACIOacuteN DE LAS BOMBAS

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca del

sistema de bombeo con el cual cuenta cada una de estas empresas se pudo resumir el

siguiente cuadro

Tabla 5 Sistema de Bombeo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135

Pmin entrada brazo de carga (psig) 70 70 70 70

Pdescarga brazo de carga (psig) 20 20 20 20

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 1000 1000 1000

Flujo miacutenimo (m3h) 1000 500 500 500

Cantidad de bombas 1 de 2 2 de 2 2 de 3 2 de 3

Descripcioacuten de las bombas p-801 AB p-6201 AB 900-p-1 ABC 900-p-1 ABC

Poperacioacuten (psig) 1337 135 135 135

Pmaacutex de descarga (psig) 171 171 171 171

Pmaacutex de operacioacuten (psig) 250 250 250 250

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Potencia (KW) 7204 320 350 350

Cabezal (m) 110 120 120 120

Eficiencia () 81 795 795 795 Presioacuten requerida en el brazo de carga (psig) 70 ndash 100 70 ndash 100 71 ndash 86 71 ndash 86

Se refiere a la cantidad de bombas en uso referente a la cantidad de

bombas disponibles en la planta

CAPIacuteTULO II

63

213 CONDICIONES AMBIENTALES DEL COMPLEJO

PETROQUIacuteMICO JOSE

El proyecto se encuentra ubicado dentro del Complejo Petroquiacutemico Joseacute

Antonio Anzoaacutetegui en la costa este de Venezuela en Jose Estado Anzoaacutetegui Las

condiciones ambientales que maacutes afectan los caacutelculos del siguiente trabajo se

presentan en la tabla 6

Tabla 6 Condiciones Ambientales del Complejo Jose

Temperatura maacutexima (degC) 45

Temperatura promedio anual (degC) 34

Temperatura miacutenima extrema (degC) 15 bulbo seco 24 bulbo huacutemedo

Presioacuten atmosfeacuterica promedio (psi) 146923

Promedio de elevacioacuten del terreno (m) 75

214 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

La configuracioacuten de las tuberiacuteas para este proyecto se decidioacute dividir en 3

tramos la tuberiacutea principal de 20rdquo oacute 24rdquo (de mayor diaacutemetro y longitud) la tuberiacutea de

16rdquo y la tuberiacutea de 12rdquo Luego que la tuberiacutea principal se ubica dentro del liacutemite de

bateriacutea del muelle el diaacutemetro se debe disminuir gradualmente hasta conseguir las

12rdquo necesarias para el despacho a traveacutes de los brazos de carga los cuales seguacuten las

caracteriacutesticas del muelle y normativas de seguridad deben ser de este diaacutemetro

especiacutefico

A partir de la informacioacuten suministrada por las empresas mixtas acerca de

las condiciones operacionales de los fluidos a traveacutes del sistema de tuberiacuteas se

seleccionoacute la tuberiacutea maacutes apropiada para este proyecto ya que se cumple con los

requisitos de seguridad necesarios Los datos recolectados se muestran en las tablas 7

8 y 9

CAPIacuteTULO II

64

Tabla 7 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas Principales (24rdquo y 20rdquo)

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST) Ceacutedula estaacutendar

(20ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro exterior (in) 24 20 20 20 Diaacutemetro interno (in) 2325 1925 1925 1925 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 2783 2312 2312 2312 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 2948 20211 20211 20211

exterior 6283 5236 5236 5236 Longitud de superficie (in) interior 609 504 504 504 Longitud de la tuberiacutea (ft) 10932 11394 12398 14557 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (in) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (in) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

El tipo de tuberiacuteas aplicables al proyecto son API 5L ASTM A-106 y

ASTM A-53 todas en acero al carbono y con rangos tanto de temperatura como de

presioacuten aceptables en el proyecto Estas tuberiacuteas cumplen con los requisitos

necesarios ademaacutes de estar incluidas dentro del tipo de tuberiacutea (piping class)

aplicable a las plantas y al Muelle Petroquiacutemico Partiendo de eacutesto se escoge la

tuberiacutea A-53 por ser eacutesta la de uso permitido en el aacuterea del Muelle Petroquiacutemico y por

ser compatible con las de uso en las plantas Para trayectorias dentro de los linderos

CAPIacuteTULO II

65

de las plantas de las empresas mixtas se haraacute uso de la tuberiacutea que estipule la

normativa de seguridad de dicha planta

Tabla 8 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbonoTuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST) Ceacutedula estaacutendar

(30ST)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro exterior (in) 16 16 16 16 Diaacutemetro interno (in) 1525 1525 1525 1525 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1841 1841 1841 1841 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 1268 1268 1268 1268

exterior 4189 4189 4189 4189 Longitud de superficie (ft) interior 399 399 399 399

Longitud de la tuberiacutea (ft) 1640 1640 1640 1640 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

La seleccioacuten del tipo de costura de la tuberiacutea se realizoacute sujeto al piping class

manejado en el Muelle Petroquiacutemico asiacute como al de cada una de las plantas siendo

recomendable el tipo E correspondiente a tuberiacutea con costura soldada con resistencia

eleacutectrica (ERW) solamente para el tramo que abarca el corredor en las calles C y F

CAPIacuteTULO II

66

(ver figura 1) Al pasar el liacutemite de bateriacutea del muelle la especificacioacuten debe cambiar

a tuberiacutea sin costura (Tipo S) por ser eacutesta la manejada en el piping class del Muelle

Petroquiacutemico Dicha divergencia afecta este estudio uacutenicamente para el caacutelculo del

espesor miacutenimo requerido

Tabla 9 Caracteriacutesticas de las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Acero al carbono Tuberiacutea con

costura (ERW) y Tuberiacutea sin

costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

Tuberiacutea con costura (ERW) y

Tuberiacutea sin costura

ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 ASTM-A53 Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S Tipo E y Tipo S

Grado B Grado B Grado B Grado B Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S) Ceacutedula estaacutendar

(ST 40S)

Piping Class

Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Rating 150 lbf Diaacutemetro nominal (in) 12 12 12 12 Diaacutemetro exterior (in) 1275 1275 1275 1275 Diaacutemetro interno (in) 12 12 12 12 Espesor de la pared (in) 0375 0375 0375 0375

en metal 1458 1458 1458 1458 Aacuterea de corte transversal (in2) de flujo 07854 07854 07854 07854

exterior 3338 3338 3338 3338 Longitud de superficie (ft) interior 314 314 314 314

Longitud de la tuberiacutea (ft) 164 164 164 164 Aspereza de la superficie (in) 00018 00018 00018 00018

Presioacuten de disentildeo (psig) 225 225 2093 2093 Presioacuten de operacioacuten (psig) 1337 135 135 135 Temperatura de disentildeo (degC) 70 67 70 70

Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

CAPIacuteTULO II

67

Las tuberiacuteas son grado B lo cual indica que se trata de tuberiacuteas de color

negro (material acero al carbono) que necesitaraacuten recubrimiento y galvanizado antes

de ser usadas

La ceacutedula es estaacutendar se escogioacute debido a que se mantiene un margen por

encima del espesor miacutenimo requerido dichos caacutelculos se presentan a continuacioacuten

El rating de la tuberiacutea de acuerdo al piping class manejado en el Muelle

Petroquiacutemico es de 150 lbf Este valor estaacute sujeto a cambios debido a que para la

fecha de elaboracioacuten de este Trabajo Especial de Grado auacuten no se habiacutea realizado el

estudio de golpe de ariete factor importante en la delimitacioacuten de presioacuten que deberaacute

soportar la tuberiacutea

La cantidad y descripcioacuten de cada uno de los accesorios y vaacutelvulas que seraacuten

empleados en las liacuteneas han sido suministrados por las empresas mixtas y podraacuten

estar sujetos a cambios durante la fase de construccioacuten del proyecto

La tabla 10 resume las longitudes equivalentes mostradas en la tabla 3 de

los componentes a ser instalados en las configuraciones de tuberiacuteas involucradas en el

proyecto

Tabla 10 Longitudes equivalentes de diversos accesorios

24 20 16 12 Tipo de accesorio o vaacutelvula Le [ft] Le [ft] Le [ft] Le [ft]

Unioacuten 4 3 3 2 Codo 90deg regular 47 39 31 25 Codo 90deg radio largo 29 25 20 16 Codo 45deg regular 24 20 16 12 T de liacutenea de flujo 32 26 21 17 T de ramal de flujo 60 76 96 116 Vaacutelvula de globo 400 525 655 800 Vaacutelvula de compuerta 11 13 17 20 Vaacutelvula angular 200 250 320 390 Vaacutelvula de retencioacuten deslizante 135 172 217 262 Entrada de filos rectos 39 53 68 86 Salida tuberiacutea 78 106 136 172 Reductor de diaacutemetro 97 80 62 45

CAPIacuteTULO II

68

22 DISENtildeO DE LAS TUBERIacuteAS

221 CONFIGURACIOacuteN DE LAS TUBERIacuteAS

Se emplea el software PIPESIMreg para la simulacioacuten del sistema de

transporte del proyecto debido a que es eacuteste un programa con la capacidad para la

simulacioacuten de equipos de superficie asiacute como es capaz de trabajar con los fluidos

involucrados en este proyecto La licencia del software se obtuvo de la empresa

PDVSA a traveacutes de la intranet de la misma la cual se encontraba a disposicioacuten de los

empleados de Pequiven para el teacutermino de este Trabajo Especial de Grado

2211 Metor

Se procedioacute a la configuracioacuten de las tuberiacuteas en PIPESIMreg siguiendo el

esquema mostrado en la figura 6 Este disentildeo se tomaraacute como referencia para las

demaacutes plantas

1 Se coloca una fuente (source) de donde proviene el fluido el cual viene

representado por el tanque de almacenamiento de cada una de las plantas en este

caso en especiacutefico las propiedades que lo describen son

Temperatura 45degC

Presioacuten 0 psig

Se supone que el fluido no se encuentra presurizado dentro del tanque debido

a que se encuentra a condiciones ambientales La temperatura es de 45 degC porque

eacuteste es el valor maacuteximo que se podriacutea conseguir en condiciones ambientales

extremas y ha sido la temperatura de disentildeo estipulada

CAPIacuteTULO II

69

Figura 6 Esquema graacutefico de la configuracioacuten de las tuberiacuteas de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como ldquocomposicionalrdquo debido a que el

metanol se encuentra preestablecido dentro del programa como un fluido acuoso

(soluble en agua) y se agrega con una molaridad al 100 a traveacutes de la tuberiacutea soacutelo

fluiraacute metanol liacutequido la inclusioacuten del fluido se muestra en la figura 7

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja

de especificaciones (data sheet) por parte de la empresa la informacioacuten es incluida en

la siguiente ventana (ver Figura 8)

CAPIacuteTULO II

70

Figura 7 Datos de la configuracioacuten del fluido (Metor)

Figura 8 Datos de la configuracioacuten del sistema de bombeo de Metor

CAPIacuteTULO II

71

4 Se incorpora la liacutenea de 24rdquo la cual es ingresada a la configuracioacuten como

una liacutenea de flujo eacutesta se conecta a la bomba a traveacutes de un nodo Se utilizan estos

conectores para la unioacuten de los elementos y no representan cambio alguno a las

propiedades Los datos necesarios para agregar la liacutenea de flujo son sentildealados en la

figura 9

Figura 9 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 24rdquo de Metor

Se colocan 2 ondulaciones por cada mil metros de recorrido debido a que

eacuteste es el nuacutemero de ondulaciones (altibajos) promedio que presentaraacute el recorrido de

la tuberiacutea La diferencia de altura es de 2 m debido a que la altitud de la planta se

encuentra por encima del nivel del muelle en un margen cercano a este valor La

distancia horizontal es la correspondiente al recorrido total de la tuberiacutea maacutes la

longitud equivalente correspondiente a las vaacutelvulas y accesorios La rugosidad es la

CAPIacuteTULO II

72

correspondiente al acero al carbono y la temperatura ambiente es la temperatura

promedio reportada en el aacuterea

Se incluye como dato que la tuberiacutea no tiene recubrimiento y estaraacute rodeada

por aire con lo cual se establece un valor de transferencia de calor entre la tuberiacutea y

el aire de 20 BTUh ft2 degF (dicho valor se encuentra predeterminado en el simulador

para estas condiciones)

5 Se agrega la liacutenea de 16rdquo tambieacuten como una liacutenea de flujo la cual presenta

las caracteriacutesticas mostradas en la figura 10 Las ondulaciones seraacuten 0 ya que esta

liacutenea se encontraraacute sobre la plataforma del muelle donde no tendraacute altibajos asiacute como

tampoco presentaraacute diferencia de altitud en el recorrido Se preveacute con una longitud de

500m a la cual se debe agregar la longitud equivalente representativa de los

accesorios dispuestos en la configuracioacuten

Figura 10 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 16rdquo de Metor

CAPIacuteTULO II

73

6 Se antildeade la liacutenea de 12rdquo y tuberiacutea final de la configuracioacuten A la salida de

eacutesta la presioacuten deberaacute ser al menos 70 psig para que el fluido pueda hacer el

recorrido a traveacutes del brazo de carga y atracar al buque con una presioacuten de 20 psig

debido a que eacutestas son las especificaciones del brazo de carga que seraacute empleado en

el muelle Esta tuberiacutea a diferencia de la de 16rdquo siacute presenta ondulaciones ya que este

uacuteltimo tramo tiene un recorrido tortuoso con diferencias pequentildeas de altura La

longitud total de tuberiacutea es de 50m aproximadamente a los cuales se agrega la

longitud equivalente de los accesorios dispuestos en esta tuberiacutea En la figura 11 se

pueden observar las propiedades de la liacutenea de 12rdquo

Figura 11 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 12rdquo de Metor

7 El punto final de la configuracioacuten es un nodo frontera que en este caso en

especiacutefico vendraacute representado por el inicio del brazo de carga punto donde la

presioacuten deberaacute ser de 70 psig

CAPIacuteTULO II

74

2212 SuperMetanol

Tomando como base la configuracioacuten de tuberiacuteas de Metor se genera un

modelo con la misma cantidad y disposicioacuten de elementos A continuacioacuten se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas de la planta Supermetanol

haciendo uso de PIPESIMreg donde soacutelo se resentildean las caracteriacutesticas que difieren del

modelo de metanol de Metor

- La bomba centriacutefuga de la cual se tiene la hoja de especificaciones por parte

de la empresa presenta la siguiente informacioacuten

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 650 kW (resultante del accionamiento de ambas bombas)

Eficiencia 795

- La liacutenea de 20rdquo se ingresa a la configuracioacuten con los datos sentildealados en la

figura 12

Figura 12 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de SuperMetanol

CAPIacuteTULO II

75

- Las liacuteneas de 16rdquo y 12rdquo tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las

configuraciones estos tramos de tuberiacutea se encuentran sobre la plataforma del muelle

ubicados sobre el mismo pipe rack de esta manera que las tuberiacuteas estaraacuten una junto

a la otra por ende tendraacuten las mismas especificaciones

2213 MTBE de Super Octanos

La configuracioacuten de tuberiacuteas de Super Octanos presenta la misma disposicioacuten

de elementos que la de Metor a continuacioacuten se presenta de forma resumida el disentildeo

de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

1 Las propiedades que describen las condiciones del source son

iguales al caso de Metor

2 El tipo de fluido se incluye como black oil esto debido a que el simulador

no contempla el Metil Terbutil Eacuteter como un fluido preestablecido en sus

lineamientos Para incluir el fluido como petroacuteleo negro se ingresan los siguientes

valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 551755

Ademaacutes se agrega la informacioacuten de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente como se ve en la

figura 13

3 Se antildeade a la configuracioacuten la bomba centriacutefuga de la cual tambieacuten se

tiene la hoja de informacioacuten por parte de la empresa La informacioacuten incluida es la

siguiente

CAPIacuteTULO II

76

Presioacuten diferencial 135 psi

Potencia 700 kW

Eficiencia 795

Figura 13 Datos de viscosidad para la configuracioacuten de MTBE de Super Octanos

4 Luego se incorpora la liacutenea de 20rdquo la cual se ingresa a la configuracioacuten

como una liacutenea de flujo Los datos necesarios para la inclusioacuten de la liacutenea principal de

20rdquo se presentan en la Figura 14

5 Al igual que para la configuracioacuten de Metor se agregan las liacuteneas de 16rdquo y

12rdquo las cuales tienen las mismas caracteriacutesticas en todas las configuraciones

CAPIacuteTULO II

77

Figura 14 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de MTBE de Super Octanos

2214 IsoOctano de Super Octanos

Tomando como base la configuracioacuten de MTBE de la misma planta se

presenta de forma resumida el disentildeo de las tuberiacuteas haciendo uso de PIPESIMreg

Las propiedades divergentes entre este caso y MTBE baacutesicamente son los

datos ingresados para la caracterizacioacuten del fluido y las propiedades de la liacutenea de

20rdquo De esta manera se hace referencia soacutelo a estos valores los cuales son

- El tipo de fluido se incluye como black oil para lo cual se ingresaron los

siguientes valores

Corte de agua 0

GOR (Relacioacuten gas-petroacuteleo) 0 scfSTB

Gravedad especiacutefica del gas 04

Gravedad especiacutefica del agua 1

Gravedad API 735724

CAPIacuteTULO II

78

- Se agrega informacioacuten adicional de la viscosidad del fluido ingresando 2

pares de valores de viscosidad y la temperatura correspondiente que para este caso

son las siguientes

Temperatura (ordmC) Viscosidad (cP)

40 046

20 055

- La configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo se muestra en la figura 15

Figura 15 Datos de la configuracioacuten de la liacutenea de 20rdquo de IsoOctano de Super Octanos

CAPIacuteTULO II

79

23 REVISIOacuteN DEL MODELO DE OCUPACIOacuteN DEL MUELLE

231 CONFIGURACIOacuteN DE LOS BRAZOS DE CARGA EN LA

PLATAFORMA DISPUESTA PARA EL PROYECTO

El proyecto ldquoFacilidades para el Despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico de Joserdquo busca reubicar el despacho de productos de

las empresas mixtas (Metor Supermetanol y Super Octanos) en la actualidad

despachados a traveacutes del Muelle Criogeacutenico propiedad de PDVSA ubicado en el

Complejo Industrial Joseacute Antonio Anzoaacutetegui

El estudio ocupacional del Muelle Petroquiacutemico de Jose se adjudicoacute a una

compantildeiacutea privada sin embargo es requerimiento del presente Trabajo Especial de

Grado hacer una breve revisioacuten a dicho Muelle para disponer de un estimado de

tiempo requerido para el embarque de buques si se bombea el producto a la maacutexima

carga que permita la configuracioacuten de cada una de las liacuteneas Para la realizacioacuten de

este objetivo la informacioacuten recolectada para la evaluacioacuten de la ocupacioacuten del

muelle estaacute basada seguacuten el promedio mensual de despacho actual a traveacutes del

muelle de PDVSA y el despacho mensual a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Se anexa un modelo rudimentario donde se presenta la disposicioacuten de los

brazos de carga los cuales seraacuten habilitados para despacho de cada uno de los

productos involucrados con el proyecto del cual es parte este trabajo (ver Figura 16)

CAPIacuteTULO II

80

Figura 16 Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose

Los brazos de carga que se empleen en el proyecto preferiblemente deberaacuten

ser de las mismas caracteriacutesticas y dimensiones de ser posible de la misma marca

para facilitar las labores de mantenimiento y obtencioacuten de repuestos Deberaacuten tener

un diaacutemetro de 12rdquo y tener facilidad para retorno de vapores debido a que asiacute lo

contemplan las normativas gubernamentales Las principales caracteriacutesticas con las

cuales deben cumplir los brazos de carga que se ubicaraacuten en las posiciones M-502

M-503 M-504 y M-505 del Muelle Petroquiacutemico se presentan en la tabla 11

CAPIacuteTULO II

81

Tabla 11 Caracteriacutesticas de los brazos de carga

Posicioacuten M-503 M-505 M-504 M-502 M-502 Producto Metanol Metanol MTBE Iso-Octano

Procedencia Metor yo Supermetanol

Supermetanol yo Metor Super Octanos Super Octanos

Diaacutemetro (in) 12 12 12 12 Tasa de flujo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Temperatura de operacioacuten (degC) 45 45 45 45

Gravedad especiacutefica 45degC 076 0765 0716 0662

Viscosidad 45degC (cP) 042 042 027 038 Presioacuten de vapor 45degC (psia) 41 41 83 17

Presioacuten requerida en la entrada (psig) 70 70 70 70

Presioacuten de descarga (psig) 20 20 20 20 Presioacuten de descarga de las bombas (psig) 1337 135 135 135

Presioacuten maacutexima de operacioacuten de las bombas (psig)

170 170 170 170

Se obtuvo informacioacuten de la disposicioacuten de ventanas operacionales

empleadas por las empresas mixtas involucradas en el proyecto seguacuten un reporte

mensual de despacho a traveacutes del Muelle Criogeacutenico Se presenta la informacioacuten

mencionada en la tabla 12 la cual hace referencia al despacho de los productos y las

capacidades de los buques a cargar esto en un periacuteodo de tiempo de un mes

CAPIacuteTULO II

82

Tabla 12 Programacioacuten Mensual de Ventanas Muelle No 9

Ventanas Empresa Producto Volumen [TM] 1 - 2 ndash 3 Supermetanol Metanol 15000 3 - 4 ndash 5 Metor Metanol 21000 6 - 7 ndash 8 Metor Metanol 13100

Super Octanos MTBE 21000 8 - 9 ndash 10 Metor Metanol 17000

11 - 12 - 13 Supermetanol Metanol 15000 13 - 14 - 15 Supermetanol Metanol 15000 16 - 17 - 18 Metor Metanol 15000

Metor Metanol 10000 18 - 19 - 20 Supermetanol Metanol 10000

21 - 22 - 23 Super Octanos MTBE 24000 24 - 25 - 26 Ventana de Mantenimiento 27 - 28 - 29 Super Octanos MTBE 11000 29 - 30 - 31 Supermetanol Metanol 10000

De igual forma se conoce la produccioacuten mensual de la empresa FertiNitro a

traveacutes de la Plataforma de liacutequidos del Muelle Petroquiacutemico si se unen el promedio

de producciones mensuales de cada empresa se tienen los siguientes datos

Metor 70 MTMM

Supermetanol 525 MTMM

Super Octanos 40 MTMM

FertiNitro 336 MTMM

CAPIacuteTULO III

83

CAPIacuteTULO III RESULTADOS

RESULTADOS

31 SELECCIOacuteN DEL ESPESOR DE PARED

Seguacuten la ecuacioacuten 32 de la seccioacuten 2444 para tuberiacuteas metaacutelicas rectas con

presiones internas la foacutermula para el espesor miacutenimo de pared que se requiere tm es

aplicable para relaciones Dot mayores de 6

Se realiza el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas de 20rdquo tomando t como 1969rdquo

el cual es el espesor con mayor magnitud que se puede conseguir en el mercado la

relacioacuten Dot = 10157 siendo mayor de 6 se realizan los caacutelculos utilizando la

ecuacioacuten 32 sin inconvenientes

Para el caacutelculo de los espesores miacutenimos los datos son obtenidos de las

especificaciones ASME B313 y de las condiciones operacionales del proyecto La

presioacuten maacutexima corresponde a la presioacuten maacutexima de resistencia de las tuberiacuteas A

continuacioacuten se muestra el caacutelculo tiacutepico para las tuberiacuteas con costura de 20rdquo

P= 250psig

Do= 20rdquo

c= 0065

S= 20000 psig

Y= 04

E= 085

( ) ( )mmint

ininxpsigxpsig

inxpsigc

YPSEDP

t

m

om

365210

21120065040250850000202

202502

rArr=

rArr++

=++

=

Al valor de espesor (536mm) se debe aplicar la tolerancia correspondiente a

esta tuberiacutea que se lee en la norma ASME B313 y es de 125 para todos los casos

con lo cual el valor del espesor estariacutea entre 469 ndash 604 mm correspondiente a un

Schedule 10 (635mm) siendo eacuteste el valor maacutes cercano a dicho espesor Como

CAPIacuteTULO III

84

medida preventiva se aplica un factor de seguridad al disentildeo correspondiente a las

peacuterdidas de espesor por corrosioacuten y erosioacuten asiacute como peacuterdidas mecaacutenicas producto

del efecto de golpe de ariete que pueda sufrir la tuberiacutea De esta manera se toma

ceacutedula estaacutendar para todas las tuberiacuteas ya que todos los valores de espesores miacutenimos

se encuentran por debajo del schedule estaacutendar comercial A continuacioacuten se

muestran los resultados para cada una de las liacuteneas con costura (Tabla 13) y se

compararon con los espesores de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar La Tabla 14 resentildea

estos mismos caacutelculos para tuberiacutea sin costura

Tabla 13 Espesores miacutenimos de las liacuteneas con costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (Psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 085 085 085 085 tm (in) 024 0211 0182 0158 Espesor miacutenimo aceptable (in) 024 plusmn 003 0211 plusmn 0026 0182 plusmn 0023 0158 plusmn 0020 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

Tabla 14 Espesores miacutenimos de las liacuteneas sin costura

Diaacutemetro 24 20 16 12 Presioacuten maacutexima (psig) 250 250 250 250 Diaacutemetro externo (in) 24 20 16 1275 A (in) 0065 0065 0065 0065 S (psig) 20000 20000 20000 20000 Y (-) 04 04 04 04 E (-) 1 1 1 1 tm (in) 0214 0189 0165 0144 Espesor miacutenimo aceptable (in) 0214 plusmn 00267 0189 plusmn 00236 0165 plusmn 0020 0144 plusmn 0018 Espesor de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar (in) 0375 0375 0375 0375

CAPIacuteTULO III

85

La costura en las tuberiacuteas no influye en los caacutelculos hidraacuteulicos debido a que

la soldadura con resistencia eleacutectrica no genera aporte de material a la tuberiacutea lo que

indica que no habraacute variacioacuten del espesor debido a la costura Las tuberiacuteas principales

seraacuten las uacutenicas con costura por ser eacutestas las uacutenicas presentes en el corredor de

tuberiacutea ubicado en las calles C y F Las longitudes de cada uno de los tramos con y

sin costura son los siguientes

Tabla 15 Longitudes de tuberiacutea con y sin costura

Longitudes de tuberiacutea METANOL Metor

METANOL Supermetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Con costura (m) 1153 1293 1599 2257 Sin costura (m) 2180 2180 2180 2180

3 2 CAacuteLCULO DE LA CAIacuteDA DE PRESIOacuteN DEBIDO A LA

FRICCIOacuteN EN LAS TUBERIacuteAS

Para obtener la caiacuteda de presioacuten en las tuberiacuteas se realizaron los caacutelculos en

primer lugar haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning considerando condiciones

isoteacutermicas que a pesar de ser un meacutetodo maacutes laborioso permite el conocimiento

descriptivo de cada uno de los paraacutemetros asiacute como la procedencia de los valores

utilizados en este disentildeo Esto es provechoso en caso de presentarse cualquier

divergencia del disentildeo en etapas futuras del proyecto Una vez realizados los caacutelculos

con la ecuacioacuten de Fanning se procede a la simulacioacuten del disentildeo con el software

PIPESIMreg que genera valores de caiacuteda de presioacuten de cada una de las liacuteneas entre

otros resultados

CAPIacuteTULO III

86

321 ECUACIOacuteN DE FANNING

Para el caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten debido a la friccioacuten se usoacute la ecuacioacuten

de Fanning en unidades de campo Se realizoacute el caacutelculo tipo para la tuberiacutea de 24rdquo de

Metor tal como se muestra a continuacioacuten

Donde ρ (gcc)= 0753

q (bbld)= 377389

L (ft)= 10932

d (in)= 2325

Para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning primero es necesario el

caacutelculo del Nuacutemero de Reynolds el cual queda

donde d (m)= 059

V (ms)= 25353

ρ (Kgm3)= 75256

μ (Pas)= 42x10-4

De donde el NRe= 27x106 lo cual indica que se presenta flujo turbulento

(NRegt4000) y para el caacutelculo del factor de friccioacuten de Fanning se debe emplear la

ecuacioacuten de Colebrook (Ec9)

01220

1072512

2523731081log21

51273

log21

6

3

Re

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛+minus=

minus

f

ff

ff

f

fxxx

f

fNDfε

Para obtener el factor de friccioacuten de Fanning haciendo uso de la ecuacioacuten de

Colebrook se realizan iteraciones a partir de un valor inicial el cual se puede tomar

directamente del diagrama de Moody De acuerdo a la figura 4 el valor de factor de

friccioacuten de Darcy que se lee correspondiente para NRe= 27x106 y εD=77x10-5 es

5

25 10146441

dLqfxp ρminus=Δ

μρ

ReVdN =

CAPIacuteTULO III

87

fD=0003 lo cual representa un factor de friccioacuten de Fanning de 0012 ya que el

factor de friccioacuten de Darcy representa 4 veces el factor de friccioacuten de Fanning

Una vez calculado este valor se procede al caacutelculo de la peacuterdida de presioacuten

debido a la friccioacuten haciendo uso de la ecuacioacuten de Fanning quedando

Para este caso la caiacuteda de presioacuten es de 24 psi es decir la presioacuten con la cual

llega el fluido al teacutermino del recorrido de la tuberiacutea de 24rdquo es 24 psi menor que al

salir de la bomba Para los tramos de tuberiacutea subsiguientes (16rdquo y 12rdquo) los caacutelculos

se hacen de forma anaacuteloga Se debe tener en cuenta la peacuterdida por friccioacuten que sufre

el fluido al pasar a traveacutes de cada uno de los dispositivos de control a lo largo de la

tuberiacutea En este caso se han tomado valores de longitud equivalente seguacuten el tipo de

accesorio los cuales se adicionan a la longitud de cada una de las tuberiacuteas para luego

calcular la peacuterdida de presioacuten debido a la friccioacuten

Para el caacutelculo de las peacuterdidas de presioacuten debido a la friccioacuten en los

accesorios y vaacutelvulas como se vioacute en el Capiacutetulo II se haraacute uso de la tabla 3 y se

tomaraacuten las longitudes equivalentes de cada accesorio sentildealadas en la Tabla 10

Dicho valor de longitud equivalente se agrega a las longitudes de las liacuteneas y se

calcula la caiacuteda de presioacuten en cada una de eacutestas

Hasta la fecha ha sido entregada la siguiente informacioacuten de la cantidad y

tipo de accesorios correspondientes a cada una de las liacuteneas (Tablas 16 y 17) de

donde se pueden obtener las longitudes equivalentes que se adicionan a las longitudes

totales de tuberiacutea en cada una de las configuraciones

La peacuterdida de presioacuten en las tuberiacuteas debido a la aceleracioacuten se desprecia por

haberse corroborado flujo turbulento en todas las tuberiacuteas de igual forma la caiacuteda de

psip

xp

dLqfxp

07242523

1093237738975300122010146441

10146441

5

25

5

25

=Δ

=Δ

=Δ

minus

minus ρ

CAPIacuteTULO III

88

presioacuten debido a la fuerza potencial se desprecia en estos caacutelculos iniciales debido a

que la peacuterdida de altura de la tuberiacutea total se estima de 2m lo cual es poco

representativo en un recorrido total de maacutes de 4 Km en cada uno de los casos

Tabla 16 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas de Metor y SuperMetanol

Metor Supermetanol Tipo de accesorio o vaacutelvula

24 16 12 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 53 Codo 45deg regular 12 8 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 2077 62 172 1618 62 172

CAPIacuteTULO III

89

Tabla 17 Cantidad de accesorios y longitudes equivalentes correspondientes a las liacuteneas propiedad de Super Octanos

MTBE Iso-Octano Tipo de accesorio o vaacutelvula

20 16rdquo 12rdquo 20 16rdquo 12rdquo

Unioacuten Codo 90deg regular Codo 90deg radio largo 57 60 Codo 45deg regular 12 16 T de liacutenea de flujo T de ramal de flujo Vaacutelvula de globo Vaacutelvula de compuerta Vaacutelvula angular Vaacutelvula de retencioacuten deslizante Entrada de filos rectos 1 1 Salida tuberiacutea 1 1 Reductor de diaacutemetro 1 1 1 1 Longitud Equivalente Total [ft] 1798 62 172 1953 62 172

A continuacioacuten se presentan tablas con el resumen del caacutelculo de cada uno de

estos paraacutemetros aplicados a cada una de las liacuteneas (Tablas 18 19 y 20)

Tabla 18 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas Principales

METANOL

Metor METANOL

SupermetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 24 20 20 20 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 10932 11394 12398 14557 Longitud Equivalente accesorios (ft) 2077 1618 1798 1953 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 13009 13012 14196 16510 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000

NUMERO DE REYNOLDS 27x106 26 x106 38 x106 25 x106 f f (Ec de Colebrook) 00122 00125 00123 00125

Δp (psi) 2864 4875 4900 5365

Presioacuten final (psia) 11976 10095 10070 9605

CAPIacuteTULO III

90

Tabla 19 Resumen de los caacutelculos de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 16rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 16 16 16 16 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 1640 1640 1640 1640 Longitud Equivalente accesorios (ft) 62 62 62 62 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 1702 1702 1702 1702 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 41x106 33 x106 48 x106 32 x106 f f (Ec de Colebrook) 00127 00128 00127 00128 Δp (psi) 3234 2097 1942 1818

Presioacuten final (psia) 8742 7997 8128 7788

Tabla 20 Resumen caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las Tuberiacuteas de 12rdquo

METANOL

Metor METANOL

SuperMetanolMTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Diaacutemetro de la tuberiacutea D (in) 1275 1275 1275 1275 Longitud de la tuberiacutea L (ft) 164 164 164 164 Longitud Equivalente accesorios (ft) 172 172 172 172 Longitudtotal de la tuberiacutea L (ft) 336 336 336 336 Pdescarga bombas (psig) 1337 135 135 135 Flujo de disentildeo Q (m3h) 2500 2000 2000 2000 NUMERO DE REYNOLDS 52x106 42 x106 61 x106 4 x106 f f (Ec de Colebrook) 00132 00133 00132 00133 Δp (psi) 2193 1419 1319 1229

Presioacuten final (psia) 6549 6578 6809 6558

Se debe tomar en consideracioacuten que en las especificaciones de los brazos de

carga que estipula Pequiven la presioacuten de descarga de la tuberiacutea al brazo de carga

debe ser de 70 psig (847 psia) y dado que ninguna de las configuraciones genera este

valor de presioacuten se debe tener en cuenta que el flujo de disentildeo no seraacute alcanzado

CAPIacuteTULO III

91

porque por debajo de esta presioacuten no se lograriacutea el despacho de los productos debido

a que los brazos de carga no seraacuten capaces de levantar el fluido la altura necesaria

para cargar los buques

Teniendo como base estos valores de presioacuten esperados para la descarga de

las liacuteneas hasta los brazos de carga se procede a la simulacioacuten con el software

PIPESIMreg

322 PIPESIMreg

Posterior al caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten utilizando la ecuacioacuten de Fanning

se realizan las simulaciones en PIPESIMreg de las configuraciones establecidas

anteriormente A continuacioacuten se resentildean por separado cada una de eacutestas

3221 Metor

Luego de ingresar las propiedades del modelo se procede a la simulacioacuten de

eacuteste ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar (Figura 17)

CAPIacuteTULO III

92

Figura 17 Datos a ingresar para la corrida del modelo de la tuberiacutea de Metor

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la simulacioacuten del programa

CAPIacuteTULO III

93

Tabla 21 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Metor

L P T v q Ρ fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Metor24 1 00 14828 11318 8319 377433 47953 LIacuteQUIDO 0411 2799 2 6504 14650 11261 8316 377287 47971 LIacuteQUIDO 0413 2786 3 13008 14558 11207 8313 377142 47990 LIacuteQUIDO 0415 2774 4 19513 14380 11154 8310 377004 48007 LIacuteQUIDO 0416 2762 5 26017 14288 11102 8307 376868 48025 LIacuteQUIDO 0418 2750 6 32521 14110 11052 8304 376738 48041 LIacuteQUIDO 0420 2739 7 39026 14018 11003 8301 376610 48057 LIacuteQUIDO 0422 2728 8 45530 13840 10956 8298 376488 48073 LIacuteQUIDO 0423 2718 9 52034 13748 10910 8296 376367 48088 LIacuteQUIDO 0425 2708

10 58538 13570 10865 8293 376252 48103 LIacuteQUIDO 0426 2699 11 65043 13478 10821 8291 376139 48118 LIacuteQUIDO 0428 2689 12 71547 13300 10779 8288 376030 48132 LIacuteQUIDO 0429 2680 13 78051 13209 10738 8286 375924 48145 LIacuteQUIDO 0430 2672 14 84555 13030 10698 8284 375822 48158 LIacuteQUIDO 0432 2664 15 91060 12939 10660 8281 375721 48171 LIacuteQUIDO 0433 2656 16 97564 12761 10622 8279 375625 48184 LIacuteQUIDO 0434 2648 17 104070 12670 10585 8277 375530 48196 LIacuteQUIDO 0436 2640 18 110570 12491 10550 8275 375440 48207 LIacuteQUIDO 0437 2633 19 117080 12400 10515 8273 375351 48219 LIacuteQUIDO 0438 2626 20 123580 12222 10482 8271 375266 48230 LIacuteQUIDO 0439 2620 21 130080 12131 10449 8269 375182 48240 LIacuteQUIDO 0440 2613 Linea de Flujo Metor16 (nuevo datum) 22 0 12072 10449 1922 375183 48240 LIacuteQUIDO 0440 3984 23 94324 10251 10424 1922 375166 48243 LIacuteQUIDO 0441 3979 24 18865 8429 10400 1922 375150 48245 LIacuteQUIDO 0441 3975 Linea de Flujo Metor12 (nuevo datum) 25 0 8328 10400 3104 375153 48244 LIacuteQUIDO 0441 5052 26 16798 7197 10400 3104 375182 48241 LIacuteQUIDO 0441 5054 27 33596 6100 10399 3105 375210 48237 LIacuteQUIDO 0441 5056

CAPIacuteTULO III

94

Para el Metanol tanto en esta configuracioacuten como para la de Supermetanol

se hicieron pruebas de seleccioacuten entre los modelos de viscosidad Pedersen y LBC

(Lohrentz-Bray-Clark) siendo Pedersen el que mejor se ajusta al modelo de

viscosidad del metanol a pesar de ser usado generalmente para gas natural y petroacuteleo

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 463 psig (610 psia) De igual forma en la figura 18 se observa que

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga

Figura 18 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q= 2500m3h

CAPIacuteTULO III

95

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2500 2250 2140 2000 y

1875 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 377389 339650 323045 301911

y 283041 En la figura 19 se puede apreciar que se consigue una presioacuten final cercana

a 70psig con un flujo de 2140 m3h

Figura 19 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Metor)

Se toma el flujo de 2140 m3h como el oacuteptimo para el despacho de Metanol

desde la planta Metor A continuacioacuten se muestra el perfil presioacuten-distancia en este

caso (figura 20)

CAPIacuteTULO III

96

Figura 20 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Metor) q=2140 m3h

3222 Supermetanol

Luego de ingresar las propiedades del modelo en el simulador se procede a

correr dicho modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar en el caso de

Supermetanol los datos son Presioacuten de entrada 0 psig Flujo 301911 bbld

Se resentildean en la tabla 22 los principales resultados necesarios para el estudio

de la configuracioacuten de Supermetanol

CAPIacuteTULO III

97

Tabla 22 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de Supermetanol

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo Sumeca20 1 00 14947 11320 9708 301947 47952 LIacuteQUIDO 0411 2705 2 6585 14664 11261 9705 301826 47972 LIacuteQUIDO 0413 2692 3 13169 14469 11203 9701 301708 47991 LIacuteQUIDO 0415 2679 4 19754 14186 11148 9697 301594 48009 LIacuteQUIDO 0417 2667 5 26339 13991 11094 9693 301483 48026 LIacuteQUIDO 0418 2656 6 32923 13708 11041 9690 301377 48043 LIacuteQUIDO 0420 2645 7 39508 13513 10991 9687 301272 48060 LIacuteQUIDO 0422 2634 8 46093 13230 10941 9683 301173 48076 LIacuteQUIDO 0424 2624 9 52677 13035 10894 9680 301075 48091 LIacuteQUIDO 0425 2614

10 59262 12753 10847 9677 300981 48106 LIacuteQUIDO 0427 2605 11 65846 12558 10803 9674 300890 48121 LIacuteQUIDO 0428 2596 12 72431 12275 10759 9672 300802 48135 LIacuteQUIDO 0430 2587 13 79016 12080 10717 9669 300716 48149 LIacuteQUIDO 0431 2578 14 85600 11798 10675 9666 300634 48162 LIacuteQUIDO 0432 2570 15 92185 11603 10636 9664 300554 48175 LIacuteQUIDO 0434 2563 16 98770 11321 10597 9661 300477 48187 LIacuteQUIDO 0435 2555 17 105350 11126 10560 9659 300402 48199 LIacuteQUIDO 0436 2548 18 111940 10844 10523 9656 300330 48211 LIacuteQUIDO 0437 2541 19 118520 10649 10488 9654 300259 48222 LIacuteQUIDO 0439 2534 20 125110 10367 10454 9652 300192 48233 LIacuteQUIDO 0440 2528 21 131690 10172 10421 9650 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 2521 Linea de Flujo Sumeca16 (nuevo datum) 22 000 10148 10421 1538 300126 48243 LIacuteQUIDO 0441 3183 23 94324 8974 10387 1537 300079 48251 LIacuteQUIDO 0442 3176 24 188650 7800 10354 1537 300034 48258 LIacuteQUIDO 0443 3170 Linea de Flujo Sumeca12 (nuevo datum) 25 000 7736 10354 2483 300036 48258 LIacuteQUIDO 0443 4028 26 16798 7003 10352 2483 300046 48256 LIacuteQUIDO 0442 4029 27 33596 6303 10349 2483 300055 48255 LIacuteQUIDO 0442 4029

CAPIacuteTULO III

98

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4834 psig (6303 psia) En la figura 21 graacutefica Presioacuten vs Distancia

la presioacuten en la salida de la tuberiacutea de 12rdquo no alcanza 70 psig por lo que se somete el

modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la

presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo de carga (Figura 22)

Figura 21 Graacutefica Presioacuten vs Distancia (Supermetanol) q= 2000m3h

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1830 1800 1750

1740 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 276248 271720

264172 262662 y 256624 En la figura 22 se puede apreciar que se consigue un

valor de presioacuten final maacutes aproximado a 70 psig con un flujo de 1740 m3h

CAPIacuteTULO III

99

Figura 22 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (Supermetanol)

3223 MTBE de Super Octanos

Luego de ingresar las propiedades de la configuracioacuten se procede a correr el

modelo ingresando presioacuten de entrada y flujo a desplazar

Presioacuten de entrada 0 psig

Flujo 301911 bbld

A continuacioacuten se resumen en una tabla los principales resultados generados

en la corrida del simulador

CAPIacuteTULO III

100

Tabla 23 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de MTBE

L P T v q ρ Fase micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (cP) x10-6 Linea de Flujo MTBE20 1 00 14970 11331 9708 301937 46353 LIacuteQUIDO 0250 4291 2 7183 14652 11233 9705 301838 46368 LIacuteQUIDO 0251 4274 3 14367 14473 11139 9702 301743 46383 LIacuteQUIDO 0252 4257 4 21550 14155 11050 9699 301654 46397 LIacuteQUIDO 0253 4243 5 28734 13977 10966 9696 301568 46410 LIacuteQUIDO 0254 4227 6 35917 13659 10886 9694 301489 46422 LIacuteQUIDO 0255 4214 7 43100 13480 10810 9691 301412 46434 LIacuteQUIDO 0256 4201 8 50284 13163 10737 9689 301340 46445 LIacuteQUIDO 0256 4189 9 57467 12984 10668 9687 301271 46456 LIacuteQUIDO 0257 4176

10 64651 12667 10603 9685 301206 46466 LIacuteQUIDO 0258 4166 11 71834 12488 10541 9683 301144 46475 LIacuteQUIDO 0259 4155 12 79017 12171 10482 9681 301087 46484 LIacuteQUIDO 0259 4145 13 86201 11993 10426 9679 301031 46493 LIacuteQUIDO 0260 4135 14 93384 11675 10372 9677 300979 46501 LIacuteQUIDO 0260 4127 15 100570 11497 10322 9676 300929 46508 LIacuteQUIDO 0261 4118 16 107750 11180 10274 9674 300883 46516 LIacuteQUIDO 0261 4111 17 114930 11001 10228 9673 300838 46523 LIacuteQUIDO 0262 4103 18 122120 10684 10184 9671 300797 46529 LIacuteQUIDO 0262 4096 19 129300 10506 10143 9670 300757 46535 LIacuteQUIDO 0263 4089 20 136480 10189 10104 9669 300721 46541 LIacuteQUIDO 0263 4083 21 143670 10011 10067 9668 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 4077 Linea de Flujo MTBE16 (nuevo datum) 22 00 9987 10067 1541 300685 46546 LIacuteQUIDO 0263 5146 23 9432 8866 10036 1540 300672 46548 LIacuteQUIDO 0263 5149 24 18865 7744 10006 1540 300665 46549 LIacuteQUIDO 0263 5151 Linea de Flujo MTBE12 (nuevo datum) 25 000 7682 10006 2488 300667 46549 LIacuteQUIDO 0263 6547 26 16798 6984 10006 2488 300686 46546 LIacuteQUIDO 0263 6555 27 33596 6307 10006 2488 300708 46543 LIacuteQUIDO 0263 6562

Tanto para MTBE como para el Iso-Octano estos fluidos se incluyeron al

simulador como black oil para lograr un comportamiento de viscosidad cercano al

CAPIacuteTULO III

101

teoacuterico se ingresaron valores de temperatura y viscosidad dentro del rango de

operacioacuten del proyecto

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4837 psig (6307 psia) Debido a que no se alcanza con el flujo de

disentildeo 70 psig a la salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de

sensibilidad variando el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida

de descarga al brazo de carga (Figura 23)

Figura 23 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (MTBE)

El anaacutelisis de sensibilidad se realizoacute para flujos de 2000 1850 1800 1750

1735 y 1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720

261908 262662 y 256624 En la figura 23 se puede apreciar que se consigue una

presioacuten final maacutes cercana a 70 psig con un flujo de 1735 m3h

CAPIacuteTULO III

102

3224 Iso-Octano de Super Octanos

Se realiza la corrida del modelo con los mismos datos de entrada utilizados

en la configuracioacuten de MTBE Se resumieron en la tabla 24 los principales resultados

Tabla 24 Resultados de la corrida en PIPESIMreg de la configuracioacuten de IsoOctano

L P T v q ρ Patroacuten de flujo micro NRe

(ft) (psia) (F) (fts) (bbld) (lbft3) (PI-SS) (cP) x10-6 Linea de Flujo IsoOctano20 1 00 14970 11334 9708 301940 42283 LIacuteQUIDO 0454 2159 2 8340 14623 11209 9704 301816 42300 LIacuteQUIDO 0456 2151 3 16680 14424 11092 9700 301697 42317 LIacuteQUIDO 0457 2142 4 25020 14078 10982 9697 301588 42332 LIacuteQUIDO 0459 2135 5 33360 13879 10880 9694 301485 42347 LIacuteQUIDO 0461 2128 6 41700 13532 10783 9691 301391 42360 LIacuteQUIDO 0462 2121 7 50039 13334 10693 9688 301301 42373 LIacuteQUIDO 0463 2115 8 58379 12987 10609 9685 301219 42384 LIacuteQUIDO 0464 2110 9 66719 12789 10530 9682 301141 42395 LIacuteQUIDO 0466 2104

10 75059 12442 10455 9680 301070 42405 LIacuteQUIDO 0467 2099 11 83399 12244 10386 9678 301002 42415 LIacuteQUIDO 0468 2094 12 91739 11898 10320 9676 300940 42423 LIacuteQUIDO 0469 2090 13 100080 11699 10259 9674 300881 42432 LIacuteQUIDO 0470 2086 14 108420 11353 10202 9672 300829 42439 LIacuteQUIDO 0470 2083 15 116760 11154 10149 9671 300777 42446 LIacuteQUIDO 0471 2079 16 125100 10808 10098 9669 300732 42453 LIacuteQUIDO 0472 2076 17 133440 10610 10051 9668 300688 42459 LIacuteQUIDO 0473 2073 18 141780 10264 10007 9667 300650 42464 LIacuteQUIDO 0473 2070 19 150120 10065 9966 9665 300612 42470 LIacuteQUIDO 0474 2068 20 158460 9719 9927 9664 300580 42474 LIacuteQUIDO 0474 2066 21 166800 9521 9890 9663 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2063 Linea de Flujo IsoOctano16 (nuevo datum) 22 00 9499 9890 1540 300548 42479 LIacuteQUIDO 0475 2605 23 9432 8399 9865 1540 300555 42478 LIacuteQUIDO 0474 2607 24 18865 7410 9842 1540 300568 42476 LIacuteQUIDO 0474 2609 Linea de Flujo IsoOctano12 (nuevo datum) 25 000 7353 9842 2487 300571 42476 LIacuteQUIDO 0474 3316 26 16798 6708 9842 2487 300602 42471 LIacuteQUIDO 0474 3319 27 33596 6082 9842 2488 300639 42466 LIacuteQUIDO 0473 3323

CAPIacuteTULO III

103

Se puede apreciar en los resultados de la corrida que el sistema tiene una

presioacuten final de 4612 psig (6082 psia) Debido a que no se alcanza los 70 psig a la

salida de la tuberiacutea de 12rdquo se somete el modelo a un anaacutelisis de sensibilidad variando

el flujo de despacho para asegurar la presioacuten miacutenima requerida de descarga al brazo

de carga (Figura 24)

El anaacutelisis de sensibilidad se realiza para flujos de 2000 1850 1800 1750 y

1700 m3h lo que corresponde en barriles diarios a 301911 279268 271720 264172

y 256624 En la figura 24 se nota que el valor de flujo con una presioacuten final cercana

a 70 psig es de 1700 m3h

Figura 24 Anaacutelisis de sensibilidad con variacioacuten de flujo (IsoOctano)

CAPIacuteTULO III

104

33 COMPARACIOacuteN ENTRE MODELOS

Para realizar la comparacioacuten entre modelos se agruparon en tablas los

resultados correspondientes a las caiacutedas de presioacuten de cada uno de los modelos

separados por tramos y luego se calculoacute el porcentaje de desviacioacuten entre los valores

Tabla 25 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Metor

METANOL

Metor Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 2864 2697 621 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 11986 12131 120

Δp tuberiacutea 16 (psia) 3234 3702 1264 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8752 8429 383 Δp tuberiacutea 12 (psia) 2193 2329 584

Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6559 6100 752

Tabla 26 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de Supermetanol

METANOL Supermetanol Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4875 4775 210 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10095 10172 076 Δp tuberiacutea 16 (psia) 2097 2372 1158 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7997 7800 253 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1419 1497 520 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6578 6303 437

CAPIacuteTULO III

105

Tabla 27 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de MTBE

MTBE Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 4900 4959 118 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 10070 10011 059 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1942 2267 1435 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 8128 7744 496 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1319 1437 823 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6809 6307 796

Tabla 28 Cuadro comparativo entre valores de caiacuteda de presioacuten de IsoOctano

IsoOctano Super Octanos Ec de Fanning Pipesim Porcentaje de

desviacioacuten ()

Δp tuberiacutea principal (psia) 5365 5449 155 Pfinal tuberiacutea principal (psia) 9605 9521 089 Δp tuberiacutea 16 (psia) 1818 2111 1389 Pfinal tuberiacutea 16 (psia) 7788 741 510 Δp tuberiacutea 12 (psia) 1229 1328 743 Pfinal tuberiacutea 12 (psia) 6558 6082 783

Debido a que la operacioacuten de las configuraciones empleando los flujos de

disentildeo no permiten que se mantenga la condicioacuten limitante que la presioacuten en la

entrada al brazo de carga sea de 70 psig se hace un cuadro comparativo entre estos

valores como se muestra en la tabla 29

CAPIacuteTULO III

106

Tabla 29 Cuadro comparativo entre modelos

METANOL Metor

METANOL SuperMetanol

MTBE Super Octanos

ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo de disentildeo (m3h) 2500 2000 2000 2000 Flujo oacuteptimo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Porcentaje comparativo entre los valores de flujo () 1682 1494 1527 1765

54 CAPACIDAD DE DESPACHO DURANTE LA VENTANA

OPERACIONAL DE CADA UNA DE LAS PLANTAS

En el Muelle Criogeacutenico soacutelo se dispone de un brazo para el despacho de los

productos de las 3 empresas mixtas con la implementacioacuten del proyecto tratado en

este trabajo se espera una mayor holgura para la carga de los productos a traveacutes del

Muelle Petroquiacutemico asiacute como tambieacuten se podraacute despachar mayor cantidad de

productos al mismo tiempo ya que cada producto tendraacute un brazo individual De esta

forma habraacute la posibilidad de utilizar hasta 4 brazos al mismo tiempo para cargar en

dos buques diferentes ya que soacutelo se dispone de la plataforma este y la oeste para el

despacho de productos pero se pueden cargar 2 tipos de productos en el mismo

buque

Se debe tener en cuenta que la empresa FertiNitro tambieacuten despacha sus

productos (amoniacuteaco) a traveacutes del Brazo de Carga M-501 ubicado en la plataforma

de liacutequidos al igual que los brazos M-502 M-503 M-504 y M-505 como se pudo

observar en la Figura 16 (Modelo Esquemaacutetico de la disposicioacuten de los Brazos De

Carga en el Muelle Petroquiacutemico Jose)

Se pueden cuantificar las posibilidades de carga de la mayor cantidad de

productos simultaacuteneamente en 12 casos diferentes como se muestra en la tabla 30

CAPIacuteTULO III

107

Tabla 30 Posibilidades de carga simultaacutenea a traveacutes del Muelle Petroquiacutemico

Caso Lado Oeste Lado Este 1 Metor M-505 Metor M-504

Metor M-503 Soca M-502

2 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503 Soca M-502

3 Metor M-505 Metor M-504 Metor M-503

4 Metor M-505 Sumeca M-504

Metor M-503

5 Metor M-505

Metor M-503

6 Sumeca M-505

7 Sumeca M-505

Metor M-503

Soca M-502

8 Sumeca M-504

Soca M-502

9 Metor M-504

Soca M-502

10 Soca M-502

11 Sumeca M-504

12 Metor M-504

FertiNitro M-501

Con los datos recopilados en la tabla 11 se obtiene la siguiente distribucioacuten

porcentual seguacuten el despacho de cada una de las plantas involucradas en el proyecto

CAPIacuteTULO III

108

33

39

28

SupermetanolMetorSuper Octanos

Figura 25 Distribucioacuten porcentual actual de la ocupacioacuten mensual del Muelle

Criogeacutenico

Debido a que se tiene conocimiento de los voluacutemenes despachados en buques

por FertiNitro actualmente en el Muelle Petroquiacutemico y el despachado por Metor

Supermetanol y Super Octanos por el Muelle Criogeacutenico se hace una proyeccioacuten del

porcentaje de produccioacuten mensual de despachos para el antildeo 2008 del Muelle

Petroquiacutemico cuando el proyecto se encuentre en operacioacuten De esta forma la

ocupacioacuten se puede decir que tendraacute la distribucioacuten mostrada en la Figura 26

17

3627

20

FertiNitroMetorSupermetanolSuper Octanos

Figura 26 Distribucioacuten porcentual de uso del Muelle Petroquiacutemico a futuro

CAPIacuteTULO III

109

La ventana operacional con la cual contaraacuten las plantas para el despacho de

sus productos seraacute al igual que en la actualidad de 72 horas contando con hasta 32

horas para el despacho De acuerdo a las velocidades maacuteximas de despacho

calculadas anteriormente se recrea un tiempo estimado de despacho al buque de cada

uno de los productos en la tabla 31

Se escogen capacidades de buques aproximadas debido a que de acuerdo a la

Tabla 12 cada buque presenta capacidades diferentes ademaacutes que podriacutean cargar

menor cantidad de productos de lo que su capacidad total permite dependiendo de las

teacutecnicas de negociacioacuten que sean empleadas en la venta de los productos

Tabla 31 Tiempos miacutenimos para carga de buques

METANOL

Metor METANOL

Supermetanol MTBE

Super Octanos ISO-OCTANO Super Octanos

Flujo (m3h) 2140 1740 1735 1700 Flujo maacutesico (TMh) 16105 13181 12301 11144 Buque de 10 MTM

Tiempo (h) 621 759 813 897

Buque de 15 MTM Tiempo (h)

931 1138 1219 1346

Buque de 20 MTM Tiempo (h)

1242 1517 1626 1795

Buque de 25 MTM Tiempo (h)

1552 1897 2032 2243

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

110

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

La seleccioacuten de tuberiacuteas principales se realizoacute de acuerdo al piping class

utilizado en el Muelle Petroquiacutemico pero debido a las altas exigencias de seguridad

de dicho muelle las cuales no son necesarias en las aacutereas externas al Muelle se hizo

la salvedad de permitir el uso de tuberiacutea con costura fuera del liacutemite de bateriacutea del

Muelle De esta forma la tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es

ASTM A-53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia hasta que

se obtengan los resultados del estudio de golpe de ariete del cual podriacutea resultar que

el rating necesario para las tuberiacuteas sea de 300 lbf Desde el punto de salida de las

plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del Muelle se utilizaraacute tuberiacutea tipo E (soldada con

resistencia eleacutectrica) y una vez dentro de los linderos del Muelle las tuberiacuteas deberaacuten

ser sin costura (Tipo S) al igual que las vaacutelvulas y los accesorios Las tablas 7 8 y 9

muestran las caracteriacutesticas de cada una de las liacuteneas

La seleccioacuten de tuberiacutea con ceacutedula estaacutendar se realizoacute conforme a que el

caacutelculo de los espesores miacutenimos requeridos en cada una de las liacuteneas reporta valores

de hasta 50 por debajo de la ceacutedula miacutenima comercial (Schedule 10) Luego de

aplicar un factor de seguridad riguroso se toma como alternativa tolerante la ceacutedula

estaacutendar en cada una de las liacuteneas (ver tablas 13 y 14)

El valor miacutenimo de presioacuten requerido en el punto final de la tuberiacutea de 12rdquo es

de 70 psig Dicho valor es necesario para que el fluido recorra el brazo de carga y

descargue al buque con una presioacuten de 20 psig

El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado a la

presioacuten de descarga de las bombas de cada planta que para todos los casos se tomoacute

la resentildeada en la hoja de especificaciones de cada bomba como presioacuten de operacioacuten

El caacutelculo de caiacuteda de presioacuten en las liacuteneas es un valor aproximado debido a

la carencia de informacioacuten definitiva acerca de las vaacutelvulas y accesorios que seraacuten

implementados en las liacuteneas Para la fecha de culminacioacuten de este Trabajo Especial

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

111

de Grado las empresas mixtas auacuten no teniacutean bien especificado los elementos de

control que se aplicaraacuten a las liacuteneas incluyendo asiacute el tipo de vaacutelvulas que seraacuten

empleados Los valores de caiacuteda de presioacuten que se reportan en el punto final de la

tuberiacutea de 12rdquo son mayores a los que se deberiacutea esperar para el momento de ejecucioacuten

del proyecto

El caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten primeramente se realizoacute mediante el uso de

la ecuacioacuten de Fanning utilizando el nuacutemero de Reynolds para el caacutelculo del factor

de friccioacuten Estos valores de caiacuteda de presioacuten se calcularon para cada uno de los

tramos de tuberiacutea reportaacutendose en las tablas 18 19 y 20

El segundo meacutetodo de caacutelculo de la caiacuteda de presioacuten se realizoacute mediante la

corrida en PIPESIMreg de cada uno de los casos por separado de acuerdo al fluido que

transportariacutea cada liacutenea y la planta que manejariacutea dicho fluido Debido a que

PIPESIMreg es un simulador de produccioacuten de petroacuteleo se estudioacute la manera de incluir

Metanol MTBE e Iso-Octano al programa

Para el modelaje del comportamiento de viscosidad del metanol se empleoacute

Pedersen siendo eacuteste el que mejor se adaptaba al teoacuterico Los modelos de viscosidad

utilizados para MTBE e Iso-Octano a diferencia del Metanol se generaron a partir de

2 pares de valores de viscosidad y temperatura ingresados por el usuario con lo cual

el modelo de viscosidad se asemeja al teoacuterico en el rango de temperatura utilizado el

cual es cercano al de operacioacuten del proyecto

Para todas las configuraciones el valor de presioacuten en el punto final de las

tuberiacuteas de 12rdquo manejando el flujo de disentildeo se encuentra por debajo de 70psig con

un margen de hasta 25 psi (como se reporta en las tablas 25 26 27 y 28) tanto en los

caacutelculos con la ecuacioacuten de Fanning como los generados por el simulador

Se compararon los valores de presioacuten reportados en cada una de las corridas

y se pudo apreciar la similitud de eacutestos con los calculados con la ecuacioacuten de

Fanning se puede apreciar que la divergencia entre valores de presioacuten reportados en

las tablas 26 27 28 y 29 no es significativa los valores maacutes distantes reportan un

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

112

desviacioacuten de hasta 14 Los valores generados por el simulador se consideraron con

mayor exactitud debido a que el simulador hace caacutelculos de los valores de viscosidad

y presioacuten a cada uno de los intervalos en los cuales se separa la longitud total de la

tuberiacutea lo cual no se hace en la ecuacioacuten de Fanning

Los valores finales de presioacuten correspondientes a Metanol MTBE e Iso-

Octano presentan porcentajes de divergencia menores al 8 lo que se puede atribuir

al hecho que los fluidos son ingresados a un simulador de hidrocarburos lo cual trae

consecuencias ya que la viscosidad del fluido a pesar de presentar valores cercanos a

los teoacutericos fueron calculados con correlaciones para petroacuteleo

Debido a que los valores generados por el simulador al final de la tuberiacutea de

12rdquo son inferiores a 70 psig (operando con el flujo de disentildeo) se realizaron anaacutelisis

de sensibilidad a cada una de las liacuteneas variando los valores del flujo de salida de la

bomba Es debido a este factor limitante que los flujos de disentildeo no son alcanzados

en las configuraciones como se muestra en la tabla 29 Los flujos que operaraacuten las

liacuteneas para mantener la condicioacuten limitante se encuentran entre 15 y 18 por debajo

del flujo de disentildeo

Los valores de flujo conseguidos al aplicar el anaacutelisis de sensibilidad a las

liacuteneas se encuentran por encima del que se espera al momento de ejecutar el proyecto

debido a que no se incluye la peacuterdida de presioacuten debido a las vaacutelvulas que seraacuten

conectadas a las liacuteneas Los valores de flujo obtenidos en este anaacutelisis no deberaacuten ser

tomados como valores reales sino como valores maacuteximos de operacioacuten de las

configuraciones

Referente a la ocupacioacuten del muelle se puede notar que auacuten para el caso maacutes

desfavorable el despacho de Iso-Octano a un buque de gran tamantildeo (menor

velocidad de flujo) el tiempo de carga es menor a 24 horas como se puede observar

en la tabla 31 Seguacuten experiencias actuales se conoce que los tiempos de despacho

se encuentran entre 15 y 32 horas dependiendo de la capacidad de los buques y de la

velocidad de bombeo La tasa maacutexima de bombeo hacia el Muelle Criogeacutenico en la

ANAacuteLISIS DE RESULTADOS

113

actualidad es de 1000 m3h con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten

los tiempos de despacho

En cuanto a las necesidades de ocupacioacuten de cada usuario (Metor

Supermetanol Super Octanos y FertiNitro) en el Muelle Petroquiacutemico se observa

que es Metor quien tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten Supermetanol y Super

Octanos seguiraacuten en cuanto al nivel de necesidad y seraacute FertiNitro quien menos

requiera del uso del Muelle ya que esta uacuteltima empresa tiene despachos mensuales de

uno a dos buques y las otras plantas tienen despachos de 4 oacute 5 buques mensuales En

la figura 26 se aprecian los porcentajes de distribucioacuten de cada una de las plantas

esperados en el momento cuando entre en vigencia el uso del Muelle Petroquiacutemico de

Jose para el despacho de Metanol MTBE e Iso-Octano

CONCLUSIONES

114

CONCLUSIONES

A continuacioacuten se presentan las principales conclusiones resultantes del

estudio de este Trabajo Especial de Grado

bull La tuberiacutea seleccionada para ser usada en el proyecto es ASTM A-

53 grado B ceacutedula estaacutendar y con rating 150 lbf de resistencia

Desde el punto de salida de las plantas hasta el liacutemite de bateriacutea del

Muelle seraacute tuberiacutea Tipo E (soldada con resistencia eleacutectrica) y

dentro de los linderos del Muelle seraacute Tipo S (sin costura)

bull El factor limitante de la velocidad de flujo en cada una de las

configuraciones es una presioacuten igual a 70 psig reportado al final de

la tuberiacutea de 12rdquo

bull El valor de caiacuteda de presioacuten a lo largo de las tuberiacuteas estaacute supeditado

a la presioacuten de operacioacuten de las bombas

bull Los valores de caiacuteda de presioacuten resultantes son valores aproximados

de igual forma sucede con los valores de flujo eacutestos deberaacuten ser

tomados como valores maacuteximos de despacho

bull La simulacioacuten de la caiacuteda de presioacuten en cada una de las liacuteneas se

realizoacute con PIPESIMreg la inclusioacuten de Metanol en la configuracioacuten se

hizo siguiendo el modelo de fluido composicional mientras que el

modelo utilizado para la inclusioacuten de MTBE e Iso-Octano fue black

oil

bull Los valores de presioacuten reportados en las corridas y los calculados con

la ecuacioacuten de Fanning presentaron una desviacioacuten porcentual menor

al 15 comparativamente entre los dos modelos Se consideran con

mayor exactitud los valores generados por el simulador

CONCLUSIONES

115

bull Los valores finales de presioacuten a la entrada del brazo de carga son

menores a 70psig en operacioacuten con el flujo de disentildeo

bull La velocidad de flujo con mayor operatividad en cada uno de los

casos es menor que los flujos de disentildeo de cada una de las liacuteneas en

un rango menor al 18 en todos los casos

bull Los brazos de carga a utilizar en las instalaciones del Muelle

Petroquiacutemico de Jose seraacuten de 12rdquo con facilidades para retorno de

vapores

bull El tiempo maacuteximo de carga de los buques con capacidades de hasta

25000TM son 24 horas

bull Con la implementacioacuten de este proyecto se optimizaraacuten los tiempos

de despacho a los buques de Metanol MTBE e Iso-Octano con

respecto al sistema actual

bull Metor tendraacute la mayor necesidad de ocupacioacuten del Muelle

Petroquiacutemico Supermetanol y Super Octanos seguiraacuten en cuanto al

nivel de necesidad y FertiNitro seraacute quien tenga menor requerimiento

de uso del Muelle

RECOMENDACIONES

116

RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de golpe de ariete para evaluar la necesidad de

proteccioacuten mecaacutenica de las liacuteneas asiacute como de las vaacutelvulas y accesorios

Una vez obtenida la disposicioacuten de todos los elementos de control que

seraacuten instalados en las liacuteneas agregar la peacuterdida de presioacuten causada debido

a las vaacutelvulas y accesorios para luego recalcular los flujos de despacho en

cada una de las configuraciones

Incluir en los procedimientos operacionales del Muelle Petroquiacutemico de

Jose la implementacioacuten de programas de inspeccioacuten y mantenimiento de

las liacuteneas involucradas en el proyecto asiacute como vaacutelvulas accesorios

brazos de carga sistema de alivio de vapores

Escoger la mejor opcioacuten para la disposicioacuten de liacutequidos y vapores

generados en el proceso de despacho de buques (instalacioacuten de tanques de

alivio disposicioacuten de fluidos hacia el flare o la instalacioacuten de la liacutenea de

retorno hacia la planta de Super Octanos)

Asegurar la posibilidad de control de las vaacutelvulas localizadas en los brazos

de carga M503 M-504 y M-505 tanto por Metor como por Supermetanol

Incluir en los procedimientos operacionales toda la logiacutestica a seguir para

realizar el lavado (Flushing) con agua de los tanques de almacenamiento de

los buques asiacute como la inertizacioacuten de eacutestos en caso de ser necesario

RECOMENDACIONES

117

Estudiar el suministro y conexioacuten de nitroacutegeno en el estribo del Muelle

para el desalojo de las liacuteneas y en caso de ser necesario la inertizacioacuten de

los tanques de almacenamiento de los buques

Realizar la clausura de las liacuteneas existentes en el Muelle Criogeacutenico de

manera adecuada asiacute como la recoleccioacuten de los activos pertenecientes a

las empresas mixtas y Pequiven en dicho Muelle

Tramitar la permisologiacutea ante los entes gubernamentales para la aprobacioacuten

del proyecto

BIBLIOGRAFIacuteA

118

REFERENCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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[2] Avallone E y Baumeister T Marks Manual del Ingeniero Mecaacutenico

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[4] Perry Robert H Manual del Ingeniero Quiacutemico ndash 6ta edicioacuten Tomo II

Meacutexico Edit Mc Graw Hill 1992

[5]Schlumbergerhttpwwwslbcommediaservicessoftwareproductionpip

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PDVSA No MDP-02-FF-03 Flujo en Fase Liacutequida Manual de Disentildeo de

Proceso Flujo de fluidos

BIBLIOGRAFIacuteA

120

PDVSA Especificaciones teacutecnicas de Materiales y de Construccioacuten

PDVSA Higiene Industrial Iacutendice general de productos quiacutemicos

GLOSARIO

121

GLOSARIO

Black Oil petroacuteleo negro

Data sheet hoja de especificaciones

Flare mechurrio

Pipe rack corredor de tuberiacutea casillero de tubos

Piping class Tipo de tuberiacutea

Rating capacidad nominal

Schedule ceacutedula o calibre

Source fuente

ANEXO 1

122

ANEXO 1 Informacioacuten de productos quiacutemicos Iso-Octano

El anexo 1 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Iso-Octano del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 2

123

ANEXO 2 Informacioacuten de productos quiacutemicos Metanol

El anexo 2 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al Metanol del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

ANEXO 3

124

ANEXO 3 Informacioacuten de productos quiacutemicos MTBE

El anexo 3 estaacute asignado a la norma PDVSA correspondiente al MTBE del

Manual de Productos Quiacutemicos de Higiene Industrial (se puede consultar en el

Trabajo Especial de Grado impreso)

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