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Por: Franklin Argandoña P.
DIPLOMADO: TRANSPORTE DE
HIDROCARBUROS
TEMA 1 INTRODUCCION
1. INTRODUCCION
Por: F. Argandoña 2
10/7/2015
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• Fluido: sustancia que se deforma continuamente al aplicarle un esfuerzo cortante y cuando cese este esfuerzo la deformación seguirá aumentando progresivamente.
• Los liquidos toman la forma del recipiente que los contiene cubriendo el fondo y los laterales. La superficie superior que esta en contacto con la atmosfera mantiene un nivel uniforme (horizontal).
• Los gases: Toman el volumen del recipiente que los contiene, el recipiente debe ser cerrado para que contenga al gas, caso contrario se escapa.
• Los líquidos se los estudia como fluidos incompresibles, aunque en la realidad son ligeramente compresibles
• Los gases son fluidos altamente compresibles
1. INTRODUCCION
Por: F. Argandoña 3
• Peso específico: El petróleo es más liviano que el agua. Su peso específico es influenciado por factores físicos y por la composición química del crudo, pudiendo oscilar, en términos generales, entre 0,75 y 0,95 Kg/lt. Aumenta con el porcentaje de asfalto.
• Viscosidad: Es la medida de la tendencia a fluir, siendo de gran importancia en los aceites lubricantes y fuel-oil. Es usualmente el tiempo necesario para que un volumen dado, a una temperatura definida, fluya a través de un pequeño orificio.
• Se mide con viscosímetro. Todos emplean en general el mismo principio. Se controla la temperatura dentro de la taza y en el baño cuidadosamente, y cuando se ha alcanzado la temperatura deseada, se abre el orificio y se deja fluir el líquido a un frasco de capacidad conocida.
• El tiempo necesario para llenar el frasco es la viscosidad requerida.
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
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• La viscosidad aumenta con el peso específico. La viscosidad de los aceites del mismo peso específico pero de diferente origen, no es la misma. Esto se debe a su diferente composición química. De esta propiedad depende la calidad de los aceites lubricantes que contiene.
• Solubilidad: Es insoluble en agua, sobre la cual sobrenada por su peso específico menor. A esto se debe su peligrosidad cuando se derrama en los puertos, o cuando es necesario combatir incendios en los tanques de almacenaje.
• Es soluble en benceno, éter, cloroformo, y otros solventes orgánicos.
• Poder calorífico: Está comprendido entre las 9000 y 12000 calorías. Éste disminuye al aumentar la densidad. Ejemplo:
• Para una densidad de 0,815 Kgr./lt. es igual a 11000 Cal/lt..
• Para una densidad de 0,915 Kgr./lt. es igual a 10700 Cal/lt..
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
• Densidad Absoluta : Nos indica la relación existente entre la masa por unidad de volumen:
Densidad absoluta = masa / volumen
• Unidades en el SI – kilogramo entre metro cúbico (kg/m3).
– gramo entre centímetro cúbico (g/cm3).
• Unidades en el Sistema Inglés – onza entre pulgada cúbica (oz/in3)
– libra entre pulgada cúbica (lb/in3)
– libra entre pie cúbico (lb/ft3)
2.1 Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
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• La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; es una magnitud adimensional (sin unidades)
• donde es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia, y es la densidad de referencia o absoluta.
• Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C (1000 kg/m3 ó 1 kg/lt).
• Densidad relativa = gravedad especifica (SG)
En la industria petrolera se utiliza el término gravedad específica para referirse a la densidad relativa
2.1 Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
• La manera de identificar y conocer los hidrocarburos es mediante la evaluación de las propiedades, las cuales van a dar las características del fluido. Propiedades tales como: la densidad, la gravedad específica y la gravedad API.
• La densidad, es determinada con el fin de obtener la gravedad API al ser relacionada con la gravedad específica.
• La gravedad específica así como la gravedad API es utilizada universalmente en la industria petrolera para clasificar los crudos de acuerdo a su composición y a su base.
• La industria petrolera comercializa el petróleo en base “seca”, por lo tanto la determinación de agua y sedimento es fundamental, de los cuales existen varios métodos.
2.1 Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
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1.2 CONCEPTOS Y GENERALIDADES
• Es por ello que se destaca la clasificación del crudo por medio de ºAPI y %AyS (porcentaje de agua y cedimentos) para la estimación del pecio del crudo
• Los crudos de petróleo, según la densidad, se clasifican en:
– a) Pesados (10° a 22,3° API).
– b) Medios (22,3° a 31,1° API).
– c) Livianos (31,1° a 39º API)
– d) Extra livianos (superiores a los 39º API)
• El grado API se fija mediante una escala adoptada por el American Petroleum Institute para medir la densidad de los petróleos brutos.
• La escala varía generalmente entre 10° (equivalente a una densidad de 1,0000) y 100° (equivalente a una densidad de 0,6112) con relación al agua a 4° C de temperatura.
1. INTRODUCCION
Por: Franklin Argandoña P.
• El petróleo crudo es una mezcla de muchos hidrocarburos que varían de tipo, peso molecular y punto de ebullición; su merito consiste en los muchos productos que de él se pueden obtener en una refinería.
• El crudo se clasifica, según una escala adoptada por en Instituto Americano de Petróleo, de acuerdo a sus °API en: condensados, liviano, mediano, pesado, extrapesado.
• Los °API se determina a partir de la densidad del crudo, existen diferentes métodos de determinarla.
• EL método del hidrómetro está basado en el principio de que la gravedad de un líquido varía directamente con la profundidad de inmersión que sufre un cuerpo al flotar en él. El método del picnómetro se basa en el principio del volumen constante y variación de la temperatura, al igual se trató el método de la centrífuga y el método por destilación el cual consiste en calentar el material bajo reflujo con un solvente inmiscible en agua, el cual co-destila con el agua presente en la muestra.
• Estas pruebas resultan importante y su determinación debe ser lo mas real posible, pues resultados erróneos afectarán tanto al vendedor como al comprador.
2.1 Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
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• ASTM D287
• Prueba Estándar para la Gravedad API del Petróleo Crudo y Productos del Petróleo. Método del Hidrómetro.- Está basado en el principio de Arquímedes que establece que "todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, recibe un empuje de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido que desaloja".
• ASTM D369
• Método Estándar para determinación de la gravedad específica mediante el picnómetro Gay luzcac. El método del picnómetro se basa en el principio del volumen constante y variación de la temperatura
• ASTM D4007
• Prueba Estándar para Agua y Sedimentos en Crudos por el Método de la Centrífuga.
• Centrifugación: Este se basa en someter una muestra a un movimiento rotativo, que induce a la separación de los componentes en virtud de las distintas masas, inducido por la fuerza centrífuga.
2.2 Métodos para medir la Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
• ASTM D4006: Método de Prueba Estándar para Agua en Crudo por Destilación.
• °API: (American Petroleum Institute): escala arbitraria de la lectura de la gravedad específica (densidad relativa), usada en la industria petrolera y que tiene como base la densidad del agua (10º API). La gravedad en ºAPI es la equivalente a densidad y se usa en la industria petrolera mundial. La gravedad específica del agua es 1 y en °API es 10.
• Los crudos se clasifican, según la gravedad API, por la siguiente escala:
• Extra pesados < 9,9
• Pesados 10 - 21.9
• Medianos 22,0 - 29,9
• Livianos 30 – 39,9
• Condensados > 40
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
FarelativaDensidad
APIGravedad
o
r
r
60
5,1315,141
2.2 Métodos para medir la Densidad
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• Ejemplos:
• Determinar la densidad relativa y ºAPI de un hidrocarburo cuyos resultados nos dieron: masa = 12 gr, volumen = 18 dm3
• Determinar la densidad relativa y ºAPI de un hidrocarburo cuyos resultados nos dieron: masa = 9.85 gr, volumen = 14870 cm3
• Un hidrocarburo ligero tiene 37.5º API, determinar su densidad absoluta en gr/dm3
2.3 Ejemplos- Densidad
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
• DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO
• Peso específico o peso volumétrico ( γ ), se define como el peso (W) de una unidad de volumen (Vol) de un fluido, es decir sustancia
• Ejemplo
• Un litro de aceite lubricante medio pesa aproximadamente 905 gr., determinar su peso específico
2.4 Peso específico
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
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• La densidad también varía con la temperatura, lo cual se muestra en la figura siguiente
• Temperatura ºC
• Densidad g/cm3
• Como se puede apreciar, la densidad del agua tiene un valor máximo a una temperatura
• de 4°C. Esto se debe a que, a tal temperatura el volumen del agua es menor.
2.4 Peso específico
2. Propiedades de los hidrocarburos líquidos
• Hidráulica
• La hidráulica es una rama de la mecánica de fluidos y ampliamente presente en la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los líquidos.
• Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y a las condiciones a que esté sometido el fluido, relacionadas con la viscosidad de este.
3. Conceptos básicos de Hidráulica
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• La presión es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie,
• Si se ejerce una fuerza (F) sobre una determina área (A) en forma perpendicular a esta, se dice que el resultado es una presión.
• Entonces: • Presión = fuerza/área
• P = F/A
3.1 Presión
3. Conceptos básicos de Hidráulica
– Presión Manométrica y presión absoluta Presión manométrica es la que se mide con un instrumento sin
considerar la presión atmosférica. La presión absoluta es la presión atmosférica más la presión
manométrica Pabs = Pman + Patm
– Unidades de medida
• Lb/pulg2 (psi) • Kg/cm2 • Newton/m2 (Pascal) (Pa). • 100000 Pa = 1 Bar • Atmosfera (atm)
• Equivalencias entre las unidades:
• 1 atm = 14.7 psi = 1.013 Bar = 1.033 Kg/cm2
3.1 Presión
3. Conceptos básicos de Hidráulica
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3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.3 Temperatura
• Podemos definir la temperatura como la medida de la sensación térmica de un elemento
• Unidades de medida – escalas
• Cero Abs. Fusión Ebullición
– Celsius -273.16 0 100
– Fahrenheit -459.7 32 212
– Kelvin 0 273.16 373.16
– Rankine 0 491.7 671.7
3. Conceptos básicos de Hidráulica
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3.3 Temperatura
3 CONCEPTOS BASICOS 3. Conceptos básicos de Hidráulica
• La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teórica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía
• Relación entre las escalas de temperatura
3.3 Temperatura
3 CONCEPTOS BASICOS 3. Conceptos básicos de Hidráulica
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• La hidrostática: Es una rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir; sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.
• La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente: • P = Po + ρgh ó P = Po + γ h
• Siendo: • P: presión • Po: presión superficial • ρ: densidad del fluido • g: intensidad gravitatoria de la Tierra • h: altura neta • γ: Peso específico del fluido
3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.4. Hidrostática
• Principio de Pascal • El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y
matemático francés Blaise Pascal que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible , contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».
• Es decir, que si se aplica presión a un líquido no compresible en un recipiente cerrado, esta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio.
• La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido.
3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.4. Hidrostática
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3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.4. Hidrostática
3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.4. Hidrostática
• El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido.
• El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará sumergido sólo parcialmente.
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• El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe unempuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza1 recibe el nombre de empuje hidrostático o deArquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). El principio de Arquímedes se formula así:
• Donde E es el empuje , • ρf es la densidad del fluido, • V el volumen de fluido desplazado • g la aceleración de la gravedad y • m la masa, • El empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de
la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales2 y descrito de modo simplificado3 ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en elcentro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo.
3. Conceptos básicos de Hidráulica
3.4. Hidrostática
• 1.- Calcular la presión necesaria en un sistema de alimentación de agua que se debe elevar 50 mts en forma vertical.
• 2.- La sección recta de una bomba es de 45 cm2. Determinar la fuerza que se debe aplicar para elevar agua a 30 mts de altura.
• 3.- Se tiene un ducto de condensado 55º API, que en su parte baja tiene una presión de 1430 psig. Si la diferencia de altura es de 385 mts., cual será la presión en la parta mas alta del ducto?
3. Conceptos básicos de Hidráulica
Ejemplos
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Mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de
la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de
las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos.
La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos
principales: la estática de fluidos o hidrostática, que se ocupa de
los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos o hidrodinamica,
que trata de los fluidos en movimiento.
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 29
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 30
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La hidrostática: Es una rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir; sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.
La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente:
P = Po + ρgh ó P = Po + γ h
Siendo:
P: presión
Po: presión superficial
ρ: densidad del fluido
g: intensidad gravitatoria de la Tierra
h: altura neta
γ: Peso específico del fluido
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
3.1. Hidrostática
Por: Franklin Argandoña P. 31
Principio de Pascal El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático
francés Blaise Pascal que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible , contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».
Es decir, que si se aplica presión a un líquido no compresible en un recipiente cerrado, esta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa Mecánica de Fluidos o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio.
La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido.
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
3.1. Hidrostática
Por: Franklin Argandoña P. 32
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3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
3.1. Hidrostática
Por: Franklin Argandoña P. 33
El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe unempuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza1 recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). El principio de Arquímedes se formula así:
Donde E es el empuje ,
ρf es la densidad del fluido,
V el volumen de fluido desplazado
g la aceleración de la gravedad y
m la masa,
El empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales2 y descrito de modo simplificado3 ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en elcentro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo.
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
3.1. Hidrostática
Por: Franklin Argandoña P. 34
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3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
3.1. Hidrostática
• El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre
sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado en dirección ascendente
por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido.
Por: Franklin Argandoña P. 35
1.- Calcular la presión necesaria en un sistema de alimentación de agua
que se debe elevar 250 mts en forma vertical.
2.- La sección recta de una bomba es de 45 cm2. Determinar la fuerza
que se debe aplicar para elevar agua a 30 mts de altura.
3.- Se tiene un ducto de condensado con gravedad especifica de 0.763,
que en su parte baja tiene una presión de 1430 psig. Si la diferencia de
altura es de 385 mts., cual será la presión en la parte mas alta del
ducto?
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Ejemplos
Por: Franklin Argandoña P. 36
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• Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los
fluidos en movimiento; estas leyes son complejas, y aunque la
hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la
hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos.
Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los
fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si
se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se
pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin
embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos reales
en movimiento, los resultados de dicho análisis sólo pueden servir
como estimación para flujos en los que los efectos de la
viscosidad son pequeños.
3.2. Dinámica de fluidos o hidrodinámica
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 37
3.2.1 Flujos incompresibles y sin rozamiento
Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, que
afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no
viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de
corriente.
Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que
siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y
en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de
las partículas individuales de fluido.
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 38
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20
ctehgv
phgv
p
2
2
221
2
11
22
3.2.1 Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la
energía) para flujo ideal (sin fricción).
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 39
p/ = energía de presión por unidad de masa.
g.h = energía potencial por unidad de masa.
v2/2 = energía cinética por unidad de masa.
Ecuación de Bernoulli para flujo en reposo:
v1 = v2 = 0
p1 + .g.h1 = p2 .g.h2
'22
2
2
221
2
11 ctehgvp
hgvp
3.2.1 Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la
energía) para flujo ideal (sin fricción).
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 40
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• El teorema de Bernoulli no se puede aplicar en caso de
fluidos reales, porque parte de la energía mecánica total
se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo
que provoca una caída de presión (perdida de carga) a lo
largo de la tubería.
• Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un
fluido determinados, esta caída de presión debería ser
proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos
demostraron que esto sólo era cierto para velocidades
bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era
más bien proporcional al cuadrado de la velocidad.
3.2.1 Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la
energía) para flujo ideal (sin fricción).
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 41
Ecuación de Bernoulli para flujo real (con fricción)
H0 = perdida de energía por rozamiento desde 1 hasta 2.
3.2.1 Ecuación de Bernoulli: (principio de conservación de la
energía) para flujo ideal (sin fricción).
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 42
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La ecuación de continuidad es una consecuencia del principio de conservación de la masa.
Para un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier sección transversal perpendicular a la sección recta de la tubería de un conducto, por unidad de tiempo, es constante.
Esta puede calcularse como sigue para el caso de flujo permanente.
Figuras 3.3 Figuras 3.4
3.2.2. Ecuación de Continuidad
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Figura 3.2., Por: Franklin Argandoña P. 43
Consideramos un flujo a través de un tubo o conducto circular, figura 3.2., siendo las
secciones 1 y 2 normales a las líneas de corriente formadas por la circulación del
líquido que forman la circulación del líquido en el tubo.
Para un valor de la densidad 1 y una velocidad normal V1, el caudal en masa por
unidad de tiempo que atraviesa la sección es 1V1 dA1, ya que V1dA1 es el
volumen por unidad de tiempo.
Análogamente, el caudal en masa que atraviesa la sección 2 es 2V2dA2. Como en
un flujo permanente la masa no puede variar con el tiempo, y como no hay paso de
fluido a través de la superficie de contorno del tubo, el caudal en masa a través del
tubo de corriente es constante. Por tanto:
1V1 dA1 = 2V2 dA2
3.2.2. Ecuación de Continuidad
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 44
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= Densidad del fluido, kg/m3 (Lb/pie3)
A = Área de la sección transversal, m2 (pie2)
V = Velocidad, m/s (pie/s)
Q = Caudal, m3/s (pie3/s)
Si el fluido es incompresible 1 = 2 entonces:
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 45
3.2.2. Ecuación de Continuidad
El Volumen de fluido que pasa por una área transversal perpendicular a la sección recta de tubería en la unidad de tiempo se llama gasto o caudal, y lo designamos con la letra Q. Las unidades dependen del sistema usado.
Sistema Inglés:
Sistema Métrico:
3.2.3. Caudal o gasto
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 46
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Ejercicios
Si la velocidad de un fluido en una tubería de 4” es de 2.5 m/s, determinar la velocidad si se
reduce el diámetro a la mitad.
Un tubo que conduce un fluido incompresible cuya densidad es 1300 Kg/m3 es horizontal.
Para pasar una colina, el tubo se debe doblar hacia arriba, hasta alcanzar una altura de h1 =
50,00 m. El tubo tiene área transversal constante. Si la presión en la sección inferior es Po =
4,50 atm, calcule la presión P1 en la parte superior, expresar el valor en psi.
Qué diámetro debe tener una tubería para transportar 15 m3/seg. De agua a una velocidad
media de 3 m/seg.?.
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
Por: Franklin Argandoña P. 47
• Densidad Absoluta : Nos indica la relación existente entre la masa por unidad de volumen:
Densidad absoluta = masa / volumen
• Unidades en el SI
• kilogramo entre metro cúbico (kg/m3).
• gramo entre centímetro cúbico (g/cm3).
• Para los gases suele usarse el gramo entre decímetro cúbico (g/dm3) o gramo por litro (g/L),
• Unidades en el Sistema Inglés
• onza entre pulgada cúbica (oz/in3)
• libra entre pulgada cúbica (lb/in3)
• libra entre pie cúbico (lb/ft3)
2.1 Densidad
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
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• La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; es una magnitud adimensional (sin unidades)
• donde es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia, y es la densidad de referencia o absoluta.
• Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C (1000 kg/m3 ó 1 kg/lt).
• Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. En estas condiciones la densidad del aire es 1.29 Kg/m3.
• Densidad relativa = gravedad especifica (SG)
En la industria petrolera se utiliza el término gravedad específica para referirse a la densidad relativa
2.1 Densidad
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
• Ejemplos de aplicación: 1.- Calcular la densidad absoluta y relativa del alcohol etílico, sabiendo que 63.3 gr
ocupan un volúmen de 80.0 cm3.
2.- Calcular el volúmen que ocupan 300 gr de mercurio líquido, sabiendo que la densidad es de 13.6 g/cm3
2.2 Medición de la Densidad
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
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TIPO DE COMBUSTIBLE Sg @ condiciones ambiente
Gas Natural 0.6
Propano 1.5
Butano 2.0
Gasolina 3.0
Acetileno 0.9
La Gravedad Especifica (Sg) es una medida de la
densidad de un gas cualquiera relativa a la del aire
(Aire = 1.0)
Los gases con Sg mas cerca de 1.0, se mezclan mas
fácilmente con el aire.
2.2 GRAVEDAD ESPECIFICA DE LOS GASES
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
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El propano tiene una gravedad especifica de 1.5, por tanto es más pesado que el aire
GLP
• El propano siempre fluirá hacia abajo.
• Revisar acumulaciones en lugares bajos como drenajes, sótanos, zanjas, etc.
• Se debe ventilar por las aberturas mas bajas posibles.
2.3 GRAVEDAD ESPECIFICA DEL GLP
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
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El gas natural tiene una gravedad especifica de 0.6, por tanto es mas ligero que el aire.
• El gas natural tiende a subir y disiparse rápidamente. No se concentra en el aire libre. (El GNL es una excepción)
• Las acumulaciones deben ser revisadas en la parte alta de los espacios cerrados
• Se debe ventilar a través de las aberturas mas altas posibles.
Gas
Natural
2.4 GRAVEDAD ESPECIFICA DEL GAS NATURAL
2. PROPIEDADES DE LOS GASES
La teoría de los gases perfectos supone que existe un movimiento caótico y desordenado de las moléculas salvo que entre ellas no se produzcan ningún tipo de interacción, es decir, entre las moléculas de los gases perfectos no ejercen fuerzas de atracción ni de repulsión y sus choques son puntuales y perfectamente elásticos.
La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética).
La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Ley de Boyle y Mariotte A temperatura constante el volumen del gas
varia en forma inversa a la variación de presión
P1 x V1 = P2 x V2 = constante
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Ejercicio 1:
Un recipiente de 1.5 m3 contiene gas a 100 psig y a 20o C ¿Cual es el volumen final cuando se incrementa la presión a 1000 psig?
Ejercicio 2:
Un recipiente de 25 pie3 contiene aire a 1500 psig ¿Cual es el volumen final cuando se disminuye la presión a 300 psig?
3.3. Relaciones físicas de los gases
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Ley de Gay Lussac Manteniendo un volumen constante, la presión varia en forma directa
a la variación de temperatura
P1 / T1 = P2 / T2
La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:
•Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión. •Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Ejercicio 1: Un recipiente de 200 ml contiene gas a 585 mmHg y a 20o C ¿Cual es la presión que se genera en su
interior cuando se incrementa la temperatura a 700o C? Ejercicio 2: Un recipiente de 200 ml contiene gas a 150 psig y a 180o F ¿Cual es la presión que se genera en su
interior cuando se disminuye la temperatura a 60o F?
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Ley de Charles
Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a
una presión constante.
En esta ley, dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la
temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas
disminuye.
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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La ecuación general determina el estado de un gas en función de sus tres variables: presión, temperatura y volumen
P1 x V1 = P2 x V2 = Constante
T1 T2
Pero el comportamiento de los gases reales tiene una desviación del comportamiento de los gases ideales.
Esta desviación se conoce como el factor de compresibilidad “Z
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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El gas real es mas compresible que el gas perfecto, debido a que las moléculas de los gases reales tienen dos tendencias 1) se apartan entre si por su constante movimiento cinético y 2) se atraen por fuerzas eléctricas .
Esta disminución del volumen a menos de la mitad si se dobla la presión , se dice que el gas es súper compresible y el causante es el factor de compresibilidad Z
La ley de los gases reales expresa:
P1 x V1 = P2 x V2 = Constante
T1 x Z1 T2 x Z2
112
22112
ZTP
ZTPVV
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Para numerosos cálculos de ingeniería conveniente
determinar el volumen de gas con referencia a una presión y
temperatura dadas:
condición estándar:
P = 14.7 psia y T = 60° F
P = 1 atm y T = 15º C
condiciones normales:
P = 1 atm y T = 0º C
P = 14.7 atm y T = 32º F
3.3. Relaciones físicas de los gases
3. Conceptos básicos de Mecánica de Fluidos
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Densidad Absoluta : Nos indica la relación existente entre la masa por unidad de volumen:
Densidad absoluta = masa / volumen
Unidades en el SI
kilogramo entre metro cúbico (kg/m3).
gramo entre centímetro cúbico (g/cm3).
Para los gases suele usarse el gramo entre decímetro cúbico (g/dm3) o gramo por litro (g/L),
Unidades en el Sistema Inglés
onza entre pulgada cúbica (oz/in3)
libra entre pulgada cúbica (lb/in3)
libra entre pie cúbico (lb/ft3)
3.4.1 Densidad
2. PROPIEDADES DE LOS GASES 3.4. PROPIEDADES DE LOS GASES
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La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra
sustancia de referencia; es una magnitud adimensional (sin unidades)
donde es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia, y es la densidad de
referencia o absoluta.
Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la
presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C (1000 kg/m3 ó 1 kg/lt).
Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la
temperatura de 0 °C. En estas condiciones la densidad del aire es 1,293 g/l, cambia con la
temperatura y la presión, por ejemplo a 25 ºC la densidad es aproximadamente 1,185 g/l.
Densidad relativa = gravedad especifica (SG)
3.4.2 Densidad Relativa
3.4. PROPIEDADES DE LOS GASES
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Ejemplo 1.- Calcular la densidad del aire a 100 kg/cm2 de presión y 28oC de
temperatura.
Ejemplo 2.- Calcular la densidad del Gas Natural a 1200 psig de presión y a 38º
C de temperatura, sabiendo que SG = 0.64 en condiciones normales.
Ejemplo 3.- Se toma la presión y temperatura en la parte mas alta de un
gasoducto la cual está en 1200 psig y 18º C, calcular la presión en la parte mas
baja sabiendo que existe una diferencia de altura de 600 mts y la temperatura es
de 26º C, el gas tiene una SG = 0.63 en condiciones estandar
Ejercicios
2. PROPIEDADES DE LOS GASES 3.4. PROPIEDADES DE LOS GASES
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