Efectos de La Temperatura en Los Liquidos
Efectos de La Temperatura en Los Liquidos
Efectos de La Temperatura en Los Liquidos
TABLA DE CONTENIDO
SECCION 1 VISCOSIDAD, DENSIDAD Y VOLUMEN EN LOS LIQUIDOS Introduccin ____________________________________________________ 3 Efectos de la Temperatura en la Viscosidad ____________________________ 5 Efectos de la Temperatura en la Densidad ______________________________ 6 Efectos de la Temperatura en el Volumen del Lquido ____________________ 7 Repaso 1 ________________________________________________________ 10 SECCION 2 PRESION DE VAPOR Y DESEMPEO DE LA LINEA Introduccin ____________________________________________________ Efectos de la Temperatura en la Presin de Vapor ________________________ Efectos de la Temperatura en el Desempeo de la Lnea __________________ Repaso 2 ________________________________________________________
13 14 14 17
ATENCION
El personal de operaciones usa tecnologa para alcanzar metas especficas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensin de la tecnologa que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de informacin adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar in mediatamente. La informacin contenida en los mdulos es terica. El fundamento de la informacin bsica facilita el entendimiento de la tecnologa y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios cientficos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teora rie con la realidad de la operacin diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.
1995 IPL Technology & Consulting Services Inc. Reproduccin Prohibida (Oct. 3, 1995)
IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7 Telephone Fax +1 - 403-420-8489 +1 - 403-420-8411
HABILIDADES DE ESTUDIO
Para que el aprendizaje de los mdulos sea ms efectivo, se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones. 1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiar durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por da, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deber contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayora de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted est estudiando establezca conexiones entre captulos y tareas. Entre ms relaciones logre hacer le ser ms fcil recordar la informacin. 3. Hay cuestionarios de autoevaluacin al final de cada seccin del mdulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementar su habilidad para recordar la informacin. 4. Cuando est leyendo una seccin o un mdulo, primero de un vistazo rpido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introduccin, conclusiones y preguntas al final de cada seccin. A continuacin como una tarea separada estudie los encabezados, grficos, figuras y ttulos. Despues de esta excelente tcnica de revision previa, usted estar familiarizado con la forma como est organizado el contenido. Despus de la lectura rpida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y adems le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura detngase al final de cada sub-seccin y pregntese Que es lo que he acabado de leer? 5. Otra tcnica de estudio til es escribir sus propias preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los mdulos.
6. Cuando est tomando notas en el saln de clases considere la siguiente tcnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo en las pgina de la derecha. Reserve las pgina de la izquierda para sus propias observaciones, ideas o reas en las que necesit e aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructor hace, es posible que usted las encuentre en el custrionario final. 7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentar enormemente su capacidad de recordar. 8. El uso de tarjetas para notas, le ayudar a identificar rpidamente reas en las cuales usted necesita repasar antes de un exmen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas despus de cada sesin de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escrbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definicin. Esto es aplicable para todos los mdulos. Por ejemplo, simbolos qumicos/que representan; estacin terminal/defincin; una sigla (acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordnelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qu gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las reas en las cuales necesita reforzar su estudio. 9. Adicionalmente estos mdulos tienen identificados mtodos de enseanza especfica para ayudar a la comprensin del tema y su revisin. Los trminos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla estn en el glosario. Para relacionar la informacin de los trminos y su significado, los nmeros de las pginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareci el trmino por primera vez en el txto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningn nmero de pgina es importante de igual manera entenderlas, pero estn completamente explicadas en otro mdulo.
La temperatura tiene un impacto importante en el comportamiento de los lquidos en los oleoductos, alterando su estado o cambiando su volumen. Los cambios de temperatura de los lquidos en los oleoductos influyen en la viscosidad y la densidad del lquido afectando su desempeo, as como los costos de operacin. Los factores que influyen en la temperatura de los lquidos en los oleoductos son: temperatura Ambiente. bombas o surtidores. friccin. Este mdulo resumir los efectos de la temperatura que ms afectan el flujo de un lquido: viscosidad. densidad. volumen del lquido. presin del vapor. lnea de desempeo.
INTRODUCCION
Este mdulo presenta informacin en los siguientes aspectos: Explica como la temperatura afecta las variables que ms influyen en la operacin de oleoductos.
SECCION 1
INTRODUCCION
Despus de esta seccin, usted podr lograr los siguientes objetivos: identificar el termino temperatura ambiente. reconocer el efecto de los cambios de temperatura en la viscosidad. reconocer el efecto de los cambios de temperatura en la densidad. identificar el trmino expansin termal de los lquidos. convertir el volumen de un lquido a cualquier temperatura, a un volumen con temperatura estndar.
OBJETIVOS
25 80 25 20 70 20 15 60 15 10 50 10 5 40 5 0 30 0 Jan ENE Mar MAR MayMAY July JUL Sept SEP Nov NOV Temperature (C)
76
22 22
20 72 20
18 64 18 16 61 16
TEMPERATURE C
14 57 14 12 54 12 10 51 10
47 88 43 66 39 4 4 35 2 2 ENE Feb MAR Apr MAY Jun JUL Aug SEP Oct NOV Dec Jan Mar July Sept Nov May FEB ABR JUN AGO OCT DIC MONTHS Meses
El calor es suministrado al lquido tanto por el terreno como por la lnea principal de las bombas. La friccin, que acompaa el incremento de la cantidad de flujo tambin genera calor aumentando la temperatura del lquido.
Viscosidad es la propiedad de un lquido, que describe su resistencia al flujo. Esta vara con la temperatura. Las molculas en un lquido estn acomodadas relativamente cerca. Estas molculas se atraen unas a otras por fuerzas cohesivas que afectan la viscosidad del lquido y lo aglutinan. La distancia entre las molculas se incrementa a medida que la temperatura aumenta. Ya que la intensidad de las fuerzas cohesivas que unen las molculas disminuye a medida que se van apartando, la viscosidad tambin disminuye. A medida que la temperatura disminuye, las fuerzas cohesivas se fortalecen entre las molculas, acercndolas ms. La viscosidad se incrementa debido a la cercana entre ellas. La temperatura cambia la viscosidad de los hidrocarburos por diferentes razones, dependiendo de las caractersticas particulares de cada uno. Observe las curvas de viscosidad para algunas sustancias comunes en la Figura 3. En cada ejemplo, la viscosidad vara con la temperatura, pero la causa del cambio es diferente para cada sustancia.
40000 30000 20000 10000 8000 6000 4000 3000 2000 1000 800 600 400 300 200 100 80 60 40 30 20 10 8.0 6.0 4.0 3.0 2.0 1.0 .8 .6 .4 .3 -12 -7 -1 4 15 38 93 149 204 315 427 538 4 5 6 . Butane (C4H10 11. Butano ) 2. Gasoline 2. Gasolina 3. Water 3. Deg. API 4. 40 Agua Crude 5. SAE 30 Lube (100 V.I.) 4. Crudo (40API) 6. Asphalt 5. Aceite sae 30
6. Asfalto
3 2
Recuerde que la densidad es igual a la masa por unidad de volumen. Con el calor la distancia entre las molculas se incrementa, por lo tanto el nmero de stas por unidad de volumen (la densidad del lquido) disminuye. Al contrario, la densidad aumenta cuando la temperatura de un lquido disminuye porque sus molculas se acercan ms. Incrementando la temperatura de la gasolina en el oleoducto baja la densidad de bache. Al bombear el combustible diesel de baja densidad, los requerimientos son menores en cualquier cantidad de flujo. Sin embargo el volumen de combustible que fluye por las bombas se incrementa debido a que la produccin se expande trmicamente al calentarse.
La Expansin trmica es una propiedad de los lquidos que hace incrementar su volumen a medida que aumenta la temperatura. El volumen de un lquido cambia cuando su temperatura cambia. Cuando la temperatura aumenta, el volumen aumenta y cuando disminuye el volumen tambin disminuye. El volumen vara de acuerdo a la temperatura. Es necesario utilizar el mtodo estndar para estabilizar el volumen de los derivados del petrleo y as evitar la variacin volumtrica continua debido a los cambios de temperatura. Para asegurarse que el volumen correcto de un producto ha sido entregado, es importante estar en capacidad de poder convertir el volumen de un bache a cualquier temperatura cuyo volumen est a temperatura estndar. La temperatura estndar en la industria del petrleo es de 60F (15C). Para determinar el cambio de volumen de un lquido teniendo un cambio de temperatura dado, se deben conocer los siguientes valores: El coeficiente de expansin de un lquido, que se define como el incremento del volumen de un lquido cuando se aumenta la temperatura en 1F (1C). NOTA: No es necesario deducir el coeficiente de expansin - los coeficientes de expansin de todos los derivados del petrleo son suministrados por el centro de control del oleoducto. La temperatura real del lquido en la tubera. El volumen real del lquido en la tubera. NOTA: Deben tenerse en el centro de control carteles, que contengan toda la informacin necesaria que incluya el volumen estndar, de esta manera no ser necesario aprenderse la frmula ni como aplicarla. La formula ser utilizada por quienes tienen que hacer los clculos respectivos. Estos valores son luego reemplazados en la formula de expansin trmica as: dando: C = coeficiente de expansin V1 = volumen real T1 = temperatura real Testndar = 60F (15C) El clculo de V estndar (volumen a una temperatura: 60F (15C))se obtiene usando la frmula: Vestndar = CV1 (Testndar - T1) + V1
Para saber como se convierte el volumen real de un bache en un volumen estndar usamos la frmula anterior, observe el siguiente ejemplo: Un bache de condensado con un volumen de 176 550 pies3 (5000 m3), se mueve dentro de la tubera a una temperatura de 50F (10C). El coeficiente de expansin es 3.5 x 10E-4F (0.0007/C), tomado de la tabla API de Roper. Cul es el volumen para una temperatura estndar de 60F (15C)?. PASO 1 Escriba los valores: C = 3.5 x 10E - 4/F (0.0007/C) V1 = 176 550 pies3 (5000 m3) Testndar = 60F (15C) T1 = 50F (10C) PASO 2 Recuerde la ecuacin: Vestndar = CV1 (Testndar - T1) + V1 PASO 3 Sustituya los valores dentro de la ecuacin y efecte los clculos: Primero efecte las operaciones que estn dentro de los parntesis = (3.5 x 10E - 4/F) (176 550 pies3) (60F - 50F) + 176 550 pies3 = (0.0007/C) (5000 m3) (15C - 10C) + 5000 m3 Luego multiplique los resultados entre parntesis y cancele las unidades = 617.9 pies3 + 176 550 pies3 = 17.5 m3 + 5000 m3
Sume los trminos finales = 617.9 pies3 + 176 550 pies3 = 177 168 pies3 = 17.5 m3 + 5000 m3 = 5017.5 m3 El volumen del bache a temperatura estndar 60F (15C) ser de 177168 ft3 (5017.5m3).
REPASO 1
a) b) c) d)
a) b) c) d)
3. La expansin trmica, de los lquidos significa que cuando la temperatura cambia, _______ tambin cambia proporcionalmente.
a) b) c) d)
la variacin del flujo la presin atmosfrica el volumen del lquido la temperatura estndar
4. La temperatura estndar para hallar el valor de las propiedades de los lquidos en la industria del petrleo es
a) b) c) d)
5. Si un bache tiene un volumen de 141.240 pies3 (4.000m3) a 50F (10C) y un coeficiente de expansin de 3.5x10E-4/F (0.0005/C), el volumen del mismo a temperatura estndar es ____________.
a) b) c) d)
137 356 pies3 (3890 m3) 141 246pies3 (4000 m3) 141 593pies3 (4010 m3) 144 771pies3 (4100 m3)
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a) b) c) d)
temperatura del terreno temperatura en la bomba temperatura estimada temperatura del derivado a su llegada
a) b) c) d)
41 - 45F (5.0 - 7.2C) 64 - 73F (18 - 23C) 54 - 60F (12 - 15C) 50 - 68F (10 - 20C)
8. Las fuentes de calor en un oleoducto normal incluyen las bombas de una lnea principal y ____________.
a) b) c) d)
la fuerza cohesiva el incremento en el flujo el incremento en la viscosidad la masa por unidad de volumen
a) b) c) d)
a) b) c) d)
la distancia entre las molculas aumenta el nmero de molculas por unidad de volumen incrementa la viscosidad es mayor la fuerza cohesiva es ms fuerte
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SECCION 2
INTRODUCCION
Despus de esta seccin usted ser capaz de alcanzar los siguientes objetivos: Identificar el termino de presin de vapor. Reconocer porque la lnea de presin debe mantenerse por encima de la presin de vapor. Reconocer la causa que origina la perdida de presin en la tubera Identificar el termino gradiente hidrulico. Reconocer los efectos de las bajas y altas temperaturas de un lquido en la presin de descarga de las bombas. Reconocer los efectos de la bajas y altas temperaturas de un lquido en la presin de succin de la bomba.
OBJETIVOS
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La presin de vapor se define como la presin por encima de la cual el lquido no se evaporar. Como se explico en el mdulo PRESION DE VAPOR, la columna de separacin y la cavitacin son dos consecuencias serias de la evaporacin en el oleoducto. La presin del vapor est ligada a la temperatura. Se aumenta exponencialmente cuando la temperatura se incrementa. Observe el siguiente cuadro para ver las presiones de vapor para diferentes temperaturas de gases licuados de petrleo (GLP). Temperatura C
5.0 10.0 15.0 20.0
F
41 50 59 68
psi
60 70 80 92
Cuando la temperatura aumenta la viscosidad y la densidad disminuyen. Como las temperaturas son ms altas en verano, el fluido en el oleoducto tendr valores de viscosidad y densidad ms bajos. Por lo tanto, el flujo aumenta y se consume menos energa por metro cbico bombeado en el verano. En invierno, los lquidos en la lnea se vuelven ms densos y viscosos cuando stos se enfran. Esto resulta en menor flujo y mayor consumo de energa por metro cbico bombeado.
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Un gradiente hidrulico es la lnea dibujada en un grfico, entre la descarga de presin de una bomba y la presin de succin de la siguiente bomba aguas abajo. La presin se puede leer desde la lnea para cualquier ubicacin en el oleoducto. El efecto de la temperatura en el funcionamiento del oleoducto puede verse al examinar los gradientes de la presin hidrulica como se muestra en la Figura 6.
Bomba Estacin Pump Station A A Presin de Descarga Discharge Pressure
Presin Pressure
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La densidad de un lquido dado no cambia drsticamente cuando en determinada estacin climtica hay un promedio de temperaturas de operacin en el oleoducto. Las densidades ms bajas son causadas por temperaturas altas, esto reduce la presin de trabajo de las bombas y el consumo de energa. Sin embargo, la densidad usualmente no es un factor considerable en la prdida de presin. Mientras ms alta sea la viscosidad, mayor friccin se genera a medida que el lquido fluye en el oleoducto. La friccin que se genera por el recorrido entre las estaciones consume la mayor parte de energa o presin que se le suministr al fluido en la estacin aguas arriba. El efecto de la viscosidad en las prdidas por friccin se incrementa cuando la temperatura disminuye. La relacin entre la temperatura y viscosidad es mucho ms importante para la presin del oleoducto que la relacin entre la temperatura y la densidad. La temperatura cambia, pero la variacin de flujo y el tipo de bache se en los dos siguientes gradientes hidrulicos.
Mayor presin de descarga requenda por un producto fro Higher discharge pressure para mantener la presin de required for cold product to succin aguas abajo suction maintain downstream por encima del mnimo. pressure above minimum
Presin de Discharge pressure descarga para un producto con temperatura for warmer media product Presin de succin Minimum mnimo suction pressure
Presin Pressure
Presin Pressure
T1 = 68F
T1 = 20C
T2 = 36F (2C)
T2 = 2C Estacin de Pump Station Bombeo B B
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a) b) c) d)
REPASO 2
2. Los operadores de los oleoductos deben mantener la presin de los lquidos ___________ para evitar la separacin de la columna.
a) b) c) d)
por encima de la presin de vapor por debajo de la presin de vapor a temperatura estndar dentro del coeficiente de expansin
a) b) c) d)
a) b) c) d)
la viscosidad y la densidad aumentan la viscosidad incrementa y la densidad disminuye la viscosidad disminuye y la densidad aumenta la viscosidad y la densidad disminuyen
a) b) c) d)
la viscosidad no cambia mucho la densidad cambiara drsticamente la viscosidad cambia drsticamente la densidad fluctuara significativamente
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6. Cual de los siguientes gradientes hidrulicos es la mejor representacin de un lquido a alta temperatura en una tubera?
a) A B C D
b) A B C D
c) A B C D
d) A B C D
a) b) c) d)
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RESUMEN
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GLOSARIO
coeficiente de expansin es el incremento en el volumen de un lquido para un aumento en la temperatura de 1F (1C). (p.7) cohesin el grado de unin de las molculas dentro de una sustancia. densidad es la masa de una sustancia con respecto al volumen. (p.6) expansin trmica es la propiedad de un lquido de incrementar su volumen a medida que la temperatura aumenta. (p.7) gradiente hidrulico es la lnea que se dibuja en una grfica entre la presin de descarga de una bomba y la presin de succin de una bomba situada aguas abajo. La presin puede ser leda desde cualquier punto de la tubera. (p.15) masa es la cantidad de materia que contiene un elemento. presin de vapor es la presin por encima de la cual un lquido no sufrir evaporacin. Es la presin que mantiene un lquido y el vapor que este produce en equilibrio a una temperatura dada. (p.14) temperatura ambiente es la temperatura del terreno y del aire que rodea la tubera. Esta presenta mayor variacin con las estaciones climticas que diaria o semanalmente. (p.3) temperatura estndar es la temperatura estndar de la industria petrolera con respecto a la cual se corrigen todos los baches, para determinar el volumen estndar y otros clculos necesarios. Esta temperatura es de 60F (15C). (p.7) viscosidad es la propiedad de un lquido la cual describe la resistencia al flujo, o la medida de la friccin interna del lquido. Algunas veces es llamada friccin de fluido. (p.5)
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REPASO 1
1. b 2. a 3. c 4. a 5. c 6. a 7. c 8. b 9. c 10. a
REPASO 2
1. c 2. a 3. c 4. d 5. a 6. a 7. c
RESPUESTAS
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