INVESTIGACION DEL MANEJO Y TRATAMIENTO DE SUBPRODUCTOS EN EL BENEFICIO DE LA PALMA ACEITERA

INGENIERIA BASICA PARA PROCESO DE DESNATADO EN CAMPO RICO

FRANZ PICO ACUA

Ing. Mecnico UIS

ECOTECNOLOGIAS S.A.

BUCARAMANGA

2008

INTRODUCCION

En el siguiente trabajo se realizan los clculos necesarios para que se produzca un flujo continuo de 30.000 barriles diarios de una mezcla de agua con aceite.

La distribucin de los flujos estn realizados de tal manera que salen 30000 barriles diarios de un tanque de cabeza y son descargados al primer skim tank en donde son atacados por microburbujas, pasan a un segundo skim tank y tambin son atacados por microburbujas para realizar la recuperacin de aceite, el flujo sale de este segundo tanque y es distribuido en un 70% para la piscina uno y un 30% como recirculacin que pasa por el generador de microburbujas.

El aceite recuperado se bombea a la piscina dos, de bio-lodos, el lixiviado se pasa a la piscina uno por gravedad, y el flujo que se saca de la piscina uno se bombea a la piscina tres, de oxidacin, se pasa a la piscina 4, de estabilizacin, finalmente se descarga a ocho kilmetros en el ro Charte.

Los clculos son realizados suponiendo que el flujo es incompresible, y pasa a travs de una tubera de seis pulgadas, se maneja un caudal de 30000 barriles diarios y se hallan las perdidas de carga, adems se hacen recomendaciones de potencia en la seleccin de bombas. Para realizar el anlisis de flujo se distribuyo el sistema en 14 puntos ubicados en el esquema general para clculos de ingeniera bsica.

INGENIERIA BASICA PARA PROCESO DE DESNATADO EN CAMPO RICO

A continuacin se presentan los clculos realizados para el proceso de desnatado en Campo Rico suponiendo que el flujo es incompresible, y pasa a travs de una tubera de seis pulgadas, se maneja un caudal de 30000 barriles diarios y como objetivo principal se propone hallar las perdidas de carga, adems se hacen recomendaciones de potencia en la seleccin de bombas. Para realizar el anlisis de flujo se distribuyo el sistema en 14 puntos ubicados en el esquema general para clculos de ingeniera bsica.

Para el diseo del sistema se tomaron en cuenta las siguientes condiciones:

(1) Tanque de Cabeza, alimenta por gravedad al primer skim tank con un flujo de 30.000 barriles diarios, se debe utilizar la tubera actual de dimetro seis (6) pulgadas.

(2) Primer Skim Tank, este tanque est situado en la planta actual. A ste tanque se le deben instalar 4 entradas de Microburbuja (MB), cuya cantidad debe ser controlada manualmente con vlvulas de control fino (vlvulas de aguja), las cuales deben estar ubicadas en el punto ms cercano al tanque (a no ms de 75 cm. del mismo). A la salida del Skim Tank, debe colocarse una toma muestra

(3) Segundo Skim Tank, se ubicar en el mismo sitio donde se encuentra actualmente. El flujo de este tanque es alimentado por el primer skim tank usando la tubera disponible de seis pulgadas, se debe manejar el agua desde el primero, y el mismo control de nivel que ya est diseado en el primero. A ste tanque se le deben instalar 4 entradas de Microburbuja (MB), las microburbujas sern dosificadas manualmente con vlvulas de control fino (vlvulas de aguja), las cuales deben estar ubicadas en el punto ms cercano al tanque (a no ms de 75 cm. del mismo). A la salida del Skim Tank, debe colocarse una toma muestra.

(4) El lodo aceitoso flotado en el primer skim tank debe salir por tubera y conectarse al del segundo skim tank, donde son bombeados por B2 a un tanque decantador, o a la piscina de lodos para su tratamiento y disposicin final.

(5) El agua final saliente del segundo Skim Tank, se dividir en dos flujos; uno manejara el 30% (900 BWPD) para ser recirculado por la bomba 3 para ser recirculada al Generador de Micro burbujas (GMB), a 90 PSI, el 70% restante ser llevado a la Piscina 1.

(6) Generador de Micro burbujas (GMB), este debe estar colocado lo ms cerca posible de los Skim Tank y sobre una plataforma donde igualmente est colocada la Bomba 3; el GMB debe recibir el agua entre 80 y 90 psi por la parte superior, donde debe existir un manmetro y un medidor de flujo de agua. El GMB, debe tener un dispositivo para control de nivel, pero debe tener un sistema de instrumentacin tal, que pueda controlar (evitar) que los condensados que puedan provenir del gas que se use, afecten la medicin del nivel real dentro del GMB.

(7) Sistema de Gas a Aire a 90 psi para el GMB; ste debe entrar a la tubera de agua, justo antes de entrar por la parte superior del GMB; este sistema debe contar con un medidor del volumen de gas o aire, el cual puede ser controlado por una vlvula de control fino, instalada antes del medidor.

Para realizar el anlisis de flujo se distribuyo el sistema en 14 puntos ubicados en el esquema general para clculos de ingeniera bsica.

FIGURA. Dibujo esquemtico para ingeniera bsica

Flujo diario en Campo Rico

1Flujo30.000 barriles diarios 4.770 m^3/da4.770x10^3 litros/da

2Flujo-hora1.250 barriles -hora198,8 m^3/h198.750 litros/h

3Flujo-min.21 barriles - minuto3,34 m^3/ min.3339 litros / min.

4Flujo-seg.0,35 barriles seg.0,0556 m^3/seg.56 litros / seg.

Anlisis de residencia del fluido en los tanques de desnatado

1TanqueDimetro= 3 metros

Longitud= 12 metros

Capacidad= 84.8 m^384.800 litros533 barriles

2Tiempo de Residencia del fluido25 minutos

Tubera de Dimetro 6- SCH 40 Agua a 90 C

NomenclaturaSCH 40, 6CRANEObservacin

1Q=Caudal en litros/min.3339

q= Caudal en m^3/s - (0,0556 m^3/s)

r= Densidad del fluido en Kilogramos /m3965A-10

3d= dimetro interior de tubera en mm SCH 40154,1B-21

= Viscosidad absoluta (dinmica) en centipoises0,31A-21Pa s= 1 N s/m^2 =10^3 cP

1 cP= 10^-3 Pa s

5A = rea de la seccin transversal de tubera de 6 en m20,0186B-21

6v= Velocidad media de flujo en m/s2,98Pg. 3-2v= q/A

P=225 f Q2 /d5 (bar), en 100m0,41785Pg. 3-3Perdida de presin por cada 100 metros de tubera (bar)

8Re (6) ec G3 = 21,22*Q /(d )1.431.280,58Pg. 3-2Numero de Reynolds

9Tubera de acero comercial, e= 0,050,05A-41

10e/D= Rugosidad relativa0,0003A-41

11f= factor de friccin0,015A-41 / A-44ft=Factor de friccin en la zona de turbulencia total

12K=Coeficiente de resistencia o de perdida de carga por velocidad en la formulahL= K*v^2/(2*g)Pg. 3-5

13g= Aceleracin de la gravedad 9,81 m /s^2

Coeficientes de resistencia (K) vlido para vlvulas y accesorios

AccesorioKK (100%Q)CRANEf (70%Q)Observacin

Codos estndar30 ft0,45A-470,450K=Coeficiente de resistencia o de prdida de carga por velocidad

K= f* L / D

Tes (directo)20 ft0,3A-490,300

Tes. (desv.)60 ft0,9A-490,900

Vlvula Globo3 ft0,045A-480,045

Val. (pie, filtro)75 ft1,125A-481,125

val. (aguja)8 ft0,12A-470,120

entrada0,50,5A-490,500

salida11A-491,000

Reducc 6-3K1/(d1/d2)23,49A-46

TuberaK= f* L / D

Pg. 3-5 Ec 3-14

Tramo 1-2

Se tiene agua a 90C que fluye del TK Cabeza al Skim Tank (1) a travs de una tubera de D= 6, a una razn de flujo de 0,0556 m^3/seg.

Los puntos 1 y 2 se eligen en la superficie libre de los dos tanques

Tramo 1-2CantidadKZ2(m)Z1=Z2+(f*L/D+K)*v2/2g (m)

P1=P2= Atm.

Vlvulas(globo)20,09

L (m)100,973

V1=V2=0

Codos41,8

entrada11

salida10,5

1,98hL (m) Perdida de carga debida al flujo del Fluido

K4,3634,98Z1(m)Altura de la superficie libre sobre el nivel del suelo para garantizar el flujo de agua a la razn especificada

Tramo 3-4

Se tiene agua a 90C que fluye del Skim Tank (1) al Skim Tank (2) a travs de una tubera de D= 6, a una razn de flujo de 0,0556 m^3/seg.

Los puntos 1 y 2 se eligen en la superficie libre de los dos tanques.

Z3=Z4+(f*L/D+K)*v2/2g (m)

P3=P4= Atm.

V1=V2=0

Tramo 3-4CantidadK

Valvulas(globo)20,09

L (m)222,14

Codos62,7

entrada10,5

salida11Z42,91hL

Perdida de carga debida al flujo del Fluido

K6,4335,91H (m)

Altura de la superficie libre sobre el nivel del suelo para garantizar el flujo de agua a la razn especificada (Se requiere Bomba)

En el tramo 3 4 del sistema se requiere bombear agua a 90C a razn de 3.339 litros por minuto tomamos como consideracin que se debe elevar el fluido a una altura de 3 m y perdidas de carga debido al flujo del fluido de 2,91m, usando el teorema de Bernoulli ( Z3 + 10^5 P3/g + v3^2/ 2g + hbomba = Z4 + 10^5 P4/g + v4^2/ 2g + hL ) se eligen las superficies libres de los dos depsitos P3=P4=Patm, velocidades de los fluidos en las superficies son cero.

H= altura total expresada en metros de columna de fluido

Q= Caudal en litros /minuto

=Densidad del fluido ( se usara 1000 Kg/m^3, para uso eventual de agua a 15C y tener una mayor capacidad de bombeo)

Hbomba= (Z4- Z3) + hL = 2,91mLa potencia al freno necesaria para la bomba con un rendimiento del 70%.

Pnecesaria (KW)=Q*H*/ ( 6116*10^3*ep)

Pnecesaria (KW)=3339*2.91*1000/( 6116*10^3*0,7) = 2,3 Kw -

Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 3-4) = 2,3 Kw. (3 hp)

Tramo 5-6 (70% del caudal total)- Tubera de D= 6 Sch 40

Tramo 5-6 (70%)- 8 Sch 40CantidadK

Z6Se tiene agua a 90C que fluye del Skim Tank (2) a la Piscina 1 a travs de una tubera de D= 6 a una razn de flujo de 0,03896 m^3/seg. (70% del caudal total).

Los puntos 5 y 6 se eligen en la superficie libre de los dos tanques

Z5=Z6+(f*L/D+K)*v2/2g (m)

V (70%Q, 6)= 2,1 m/s

Re (70%Q)(6"-sch 40)= 1. 001. 896

Vlvulas

(globo)10,045

Tes.10,9

L tubera(m)807,8

Codos31,35

entrada11

salida10,5

2,57hLPerdida de carga debida al flujo del Fluido

K02,57H (m)Altura de la superficie libre sobre el nivel del suelo para garantizar el flujo de agua a la razn especificada

Tramo 7-8

En el tramo 7 8 del sistema se requiere bombear agua a 90C a razn de 2337 litros por minuto a torre de enfriamiento con una altura de 20m, perdidas de carga debido al flujo del fluido de 29,45 m, usando tuberia de D= 6, el teorema de Bernoulli ( Z7 + 10^5 P7/g + v7^2/ 2g + hbomba = Z8 + 10^5 P8/g + v8^2/ 2g + hL ) se eligen la superficies libre del depsito y la descarga a la atmosfera en la torre de enfriamiento.

P7=P8(torre de enfriamiento)=Patm, velocidades de los fluidos en las superficies son cero.

Q= Caudal en litros /minuto 2337,3 litros/min. (70% del flujo total)

=Densidad del fluido ( se usara 1000 Kg/m^3, para uso eventual de agua a 15C y tener una mayor capacidad de bombeo)

Tramo 7-8CantidadKZ8hbomba=(Z8-Z7)+(f*L/D+K)*v2/2g (m)

bomba1

Z7= 0 ;

Tee21,8

El punto 7 se elige en la superficie libre de la piscina 1 y el punto 8 a la salida del tubo que alimenta la torre de enfriamiento.

Vlvulas(globo)10,045

L (m)111,07

En Z8= Se suman 5 metros de altura para compensar las perdidas a la salida de la regadera de la torre de enfriamiento.

Codos62,7

entrada21

salida30,51,58hL(m)

K7,122526.58H (m)Requiere bomba

Tubera antes de la Bomba (Tramo 7-8)

2,87 + 26,58 = 29,45 m

Htotal (m)

cabeza (m)00

Pnecesaria (KW)=Q*H*/ ( 6116*10^3*ep)

Val. (pie)11,125

Pnecesaria (KW)=2337*29,45*1000/( 6116*10^3*0,7) = 14.86 Kw

entrada11

Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 7-8) = 14,86 Kw. (20 hp )

Codos10,45

L (m)30,29

Se Usa bomba de 20 hp

K2,87

0,64H (m)

Tramo entre piscina 3, Oxidacin y piscina 4, Estabilizacin.

Se tiene agua que fluye de la Piscina 3, Oxidacin, a la Piscina 4, Estabilizacin, a travs de dos tubos en paralelo de D= 7, en tubera de hierro, a una razn de flujo de 3339 litros/min. (1670 litros/min. por cada tubo) estas piscinas se hallan internamente conectadas permitiendo realizar la descarga de la Piscina 3, Oxidacin, a la Piscina 4, Estabilizacin.

AccesoriosCantidadAccesoriosCantidadObservacin

Entrada1L (m)4Estos accesorios son para cada tubo que comunica internamente la Piscina 3, Oxidacin, a la Piscina 4, Estabilizacin.

salidas1Vlvula de Globo1

Tramo 9-10 Descarga de agua al ro Charte

Se tiene agua que fluye de la Piscina 4, Estabilizacin, al ro Charte a travs de un tubo de D= 8, Sch 40, a una razn de flujo de 2337,3 litros/min

hbomba=(Z10-Z9)+(f*L/D+K)*v2/2g (m).

(Z10-Z9)= 0 ; La diferencia de altura entre la Piscina 4, Estabilizacin y el ro Charte

Tramo 9-10CantidadKhbomba=(Z10-Z9)+(f*L/D+K)*v2/2g (m).

bomba1

V = 1,21 m/s

(f*L/D+K)*v2/2g=(208,2 + 2,68) *0,074

Htotal= 15,64 = 15,64m

v2/2g= 0,074

hbomba=(0)+(210,88)*0,074 =15,64(m).

L (m)3000207,20

salida11

K208,20

Accesorios antes de Bomba B4 (9-10)CantidadK

cabeza (m)0

Val. (pie)11,05

entrada11

Codos10,42

L (m)30,21

K2,68

KTotal210,88

Pnecesaria (KW)=Q*H*/ ( 6116*10^3*ep)

Pnecesaria (KW)= 2337*15,64*1000/( 6116*10^3*0,7) = 8,54 Kw

Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 9-10) = 8,54 Kw. (11,5 hp)

Tramo 5 -11

En el tramo 5 11 se presenta un flujo recirculado de 1000 litros/ minuto equivalente al 30% del flujo que ingresa al skim tank, se utiliza tubera de D= 6 este flujo se maneja a 90C, se crea un sistema de distribucin de las microburbujas en tubera de D=6 con reducciones a 3 y posteriormente reduccin a vlvulas de D=1/2.

Teorema de Bernoulli: (Z5 + 10^5 P5/g + v5^2/ 2g + hbomba = Z11 + 10^5 P11/g + v11^2/ 2g + hL ) se elige la superficie libre del skim tank 2, (Z5), y la superficie libre skim tank 1, (Z11), como linea para el volumen de control.

Para el sistema de tuberas mltiples que se presenta en este tramo el fluido que pasa del skim tank 2 al skim tank 1 puede seguir cualquiera de las trayectorias disponibles, donde el caudal total es igual a la suma de los caudales en cada tubera de descarga. Q= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9+Q10

La perdida de carga experimentada por cualquier partcula del fluido que se desplace del tanque 2 al tanque 1 es la misma. hL=hL1=hL2=hL3=...hL10

P5(ST 2)=P11 (ST 1)=Patm, las velocidades de los fluidos en las superficies son cero.

Q= Caudal en litros /minuto 1000 litros/min.

=Densidad del fluido ( se usara 1000 Kg./m^3, para uso eventual de agua a 15C y tener una mayor capacidad de bombeo)

Tramo 5 al nodo CantidadKhbomba=(Z5-Z11)+(f*L/D+K)*v2/2g (m).

bomba1

En el tramo 5 11 Se requiere que la bomba tenga la capacidad de levantar una presin de 90 PSI (62,45 mH2O)

Q(30%) =1001,7 L/min

q(30%-m^3/s)= 0,01668 m^3/s

A = 0,018650701 m^2

v(6), 30%= q / A = 0,89 m/s

v^2/2g (6), 30%=0,0408 m

Re (30%Q)(6"-sch 40)= 429384,1

f (30%Q)= 0,016

Tes32,88

Valvulas(globo)20,096

L (m)202,08

Codos41,92

entrada11

salida10,5

burbujas (psi)9062,45m

K

H (m) 0,35

Tramo del nodo-tuberas mltiples hasta 11(superficie del tanque 2)

CantidadKhbomba=(Z5-Z11)+(f*L/D+K)*v2/2g (m)

(Z5-Z11)= 3 3 = 0

(f*L/D+K)= (61,33+8,47) = 69,8

(f*L/D+K)*v2/2g= (69,8)*0,0408=2,85 (m)

H= 2,85 + 62,45 = 65,29m

H= 65,29 m

ep= Eficiencia de la bomba 0,7

Tes109,6

Valvulas(aguja)101,28

L 6 (m)303,11

L 3 (m)7,50,78

Reduccin 6-31034,90

Reduccin 3-1/2109,19

Codos20,96

entrada01

salida100,5

K61.332,50H (m)

Pnecesaria (KW)=Q*H*/ ( 6116*10^3*ep)

Pnecesaria (KW)= 1001,7*65,29*1000/( 6116*10^3*0,7) = 15,28 Kw.

Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 5-11) = 15,28 Kw. (20,5 hp)

TRAMO 12 14 Descarga del Desnatado a la Piscina 2 (Biolodos)

En el tramo 12 14 se presenta un flujo diario de 1.908 Kg. de aceite recuperado, 0,4 Kg. de aceite recuperado x m^3, a 90C esto es una razn de 2000 litros por da (90% agua, 1,4 Litros/minuto), usando tubera de D= 1.

Teorema de Bernoulli: ( Z12 + 10^5 P12/g + v12^2/ 2g + hbomba = Z14 + 10^5 P14/g + v8^2/ 2g + hL ) se eligen la superficies libre del depsito y la descarga a la atmosfera en la torre de enfriamiento.

P12=P14(torre de enfriamiento)=Patm, velocidades de los fluidos en las superficies son cero.

Q= Caudal en litros /minuto 1,4 litros/min.

=Densidad del fluido ( se usara 1000 Kg./m^3, para uso eventual de agua a 15C y tener una mayor capacidad de bombeo)

Tramo 12 - 14CantidadKZ12= 2; Z14= 0 ;

Dint 1" = 26,6 mm =0,0266m

A(1")= 0,000555716 m^2

Re (1)= 21,22*Q /(d )=3327,6

f(1") = 0,043

v^2/2g (1)= 0,32

K= 2,94 +10,64= 13,58

hbomba=(Z14-Z12)+(f*L/D+K)*v2/2g (m).

hbomba=(-2)+(13,58)*0,32= 2,35 m

Codos11,935

salidas11

L (m)1000,00016

K2,94

Antes de la Bomba

cabeza (m)(Z12)22

entrada22

Codos47,74

L (m)200,00

Tes10,9

K10,64

Pnecesaria (KW)=Q*H*/ ( 6116*10^3*ep)

Pnecesaria (KW)=1,4*2,35*1000/( 6116*10^3*0,7) = 0,34 Kw (0,45 Hp)

Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 12-14) = 0,34 Kw. (1/2 hp )

CONCLUSIONES

Para el Tramo 1-2, La altura de la superficie libre del TK Cabeza sobre el nivel del suelo para garantizar el flujo de agua a la razn especificada de 30.000 barriles diarios por una tubera de 6 es de 5 m.

En el tramo 3 4, en el sistema se requiere bombear agua a 90C a razn de 30.000 barriles diarios tomamos como consideracin que se debe elevar el fluido a una altura de 3 m y para esta operacin del sistema se requiere una bomba que tiene como Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 3-4) = 2,3 Kw. (3 hp).

En el tramo 5 6, en el sistema se tiene agua a 90C que fluye del Skim Tank (2) a la Piscina 1 a travs de una tubera de D= 8(Recomendado), a una razn de flujo de 0,03896 m^3/seg. (70% del caudal total) y requiera que exista una Altura de 1,3 metros libre sobre el nivel del suelo para garantizar el flujo de agua a la razn especificada.

Para el tramo 7-8 del sistema se requiere bombear agua a 90C a razn de 21.000 barriles diarios (70% flujo) a torres de enfriamiento con una altura de 20m en tubera de D= 6 se halla que la Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 7-8) = 14,86 Kw. (20hp)

Tramo entre piscina 3, Oxidacin y piscina 4, Estabilizacin; Se tiene agua que fluye de la Piscina 3, Oxidacin, a la Piscina 4, Estabilizacin, a travs de dos tubos en paralelo de D= 7, en tubera de hierro, a una razn de flujo de 21.000 barriles diarios, estas piscinas se hallan internamente conectadas permitiendo realizar la descarga de la Piscina 3, Oxidacin, a la Piscina 4, Estabilizacin.

Tramo 9-10 Descarga de agua al ro Charte; Se tiene agua que fluye de la Piscina 4, Estabilizacin, al ro Charte a travs de un tubo de D= 8, Sch 40, a una razn de flujo de 21.000 barriles diarios (70% del flujo),se halla que la Demanda de Potencia de la bomba (Tramo 7-8) = 8,54 Kw. (11,5 hp).

En el tramo 5 11, recirculacin del 30% del caudal, se presenta un flujo recirculado de 1000 litros/ minuto equivalente al 30% del flujo que ingresa al skim tank, se utiliza tubera de D= 6 este flujo se maneja a 90C, se crea un sistema de distribucin de las microburbujas en tubera de D=6 con reducciones a 3 y posteriormente reduccin a vlvulas de D=1/2. Para el sistema de tuberas mltiples que se presenta en este tramo la Demanda de Potencia de la bomba es (Tramo 5-11) = 15,28 Kw. (20,5 hp).

En el tramo 12 14 se presenta un flujo diario de 1.908 Kg. de aceite recuperado, 0,4 Kg. de aceite recuperado x m^3, a 90C esto es una razn de 2000 litros por da (90% agua - 1,4 Litros/minuto), usando tubera de D= 1, se ubica una bomba cuya Demanda de Potencia es (Tramo 12-14) = 0,34 Kw. (1/2 hp)

BIBLIOGRAFIA

CRANE, divisin de Ingeniera. 1987. Flujo de fluidos en valvulas, accesorios y tuberias. McGRAW HILL, Mxico, D.F.

MATAIX, Claudio. 1986. Mecnica de fluidos y mquinas hidrulicas, segunda edicin. Ediciones del castillo, Madrid.