1. introducción a facilidades de superficie
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8/12/2019 1. Introduccin a Facilidades de Superficie
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INGENIERA DE PRODUCCIN II
CONCEPTOS DE FACILIDADES DE
SUPERFICIE PARA INGENIERA DEPRODUCIN
ABRIL 2014
Atahualpa Mantilla
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8/12/2019 1. Introduccin a Facilidades de Superficie
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OBJETIVO
Impartir conocimientos y experiencias a estudiantes de
Ingeniera de Petrleos para familiarizacin de conceptosde facilidades de superficie en Ingeniera de Produccin.
ALCANCE
Cubrir primeramente con variables de proceso,
caractersticas de fluidos, separadores de produccin,tanques y sistemas de bombeo.
INGENIERA DE PRODUCCIN II
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8/12/2019 1. Introduccin a Facilidades de Superficie
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CONTENIDO
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
VARIABLES DE PROCESO
SISTEMAS DE BOMBEO
SEPARADORES DE PRODUCCIN
TANQUES
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VARIABLES DE PROCESO
PRESIN
Definicin
En fsica y disciplinas afines, lapresin es una magnitud fsica que mide la
fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una
determinada fuerza resultante sobre una superficie.
P = F /A (1)
Unidades
En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la presin se mide en una unidad
derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un
newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.
INGENIERA DE PRODUCCIN II
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VARIABLES DE PROCESO PRESIN (cont.)
Equivalencias de unidades de presin
Unidades de presin y sus factores de conversin
Pascal bar psi Kg/cm2 atm Torr
1 Pa (N/m) 1 10-5 1,45x10-4 1,0197x10-5 0,98710-5 0,0075
1 bar (daN/cm) 100000 1 14,5 1,0197 0,987 750
1 psi (lb/pulg) 6894.75 0,0689 1 7,03x10-2 6,80459x10-2 51,7149
1 Kg/cm 98066,5 0,980665 14,22 1 0,9678 735,55
1 atm (760 Torr) 101325 1,013 14,69 1,033 1 760
1 Torr (mmHg) 133 0,00133 1,9336x10-2 1,3595x10-3 0,00132 1
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VARIABLES DE PROCESO PRESIN (cont.)
Tipos de presin
Presin absoluta y relativa
Presin de vapor o presin de saturacin
Presin crtica
Presin parcial
Presin atmosfrica
Presin manomtrica
Presin dinmica
Presin esttica
Presin hidrosttica
Presin de radiacin
Presin arterial
Presin ocular
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VARIABLES DE PROCESO PRESIN (cont.)
Presin crtica
Lapresin crtica es una caracterstica de cualquier sustancia, que define el campo en el que stapuede transformarse en vapor en presencia del lquido correspondiente.
Presin atmosfrica
La presin atmosfrica es la presin ejercida por el aire atmosfrico en cualquier punto de laatmsfera. Normalmente se refiere a la presin atmosfrica terrestre, pero el trmino esgeneralizable a la atmsfera de cualquier planeta o satlite.
Presin manomtrica
Se llama presin manomtrica a la diferencia entre la presin absoluta o real y la presinatmosfrica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presin es superior a la presinatmosfrica.
Presin absoluta y relativaEn determinadas aplicaciones la presin se mide no como la presin absoluta sino como la presin por encima de la
presin atmosfrica, denominndose presin relativa, presin normal, presin de gauge o presin
manomtrica. Consecuentemente, la presin absoluta es la presin atmosfrica ms la presin manomtrica (presinque se mide con el manmetro).
Presin de vapor
Comnmentepresin de saturacin es la presin, para una temperatura dada, en la que la fase lquiday el vapor se encuentran en equilibrio dinmico.
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VARIABLES DE PROCESO PRESIN (cont.)
Presin hidrosttica
Lapresin hidrosttica es la parte de la presin debida al peso de un fluido en reposo. En un fluidoen reposo la nica presin existente es la presin hidrosttica, en un fluido en movimiento ademspuede aparecer una presin hidrodinmica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es lapresin que sufren los cuerpos sumergidos en un lquido o fluido por el simple y sencillo hecho desumergirse dentro de este. Se define por la frmula:
Ph= h (3)
= gradiente (g)h = altura o profundidad bajo la altura del fluido
Presin dinmica
Se puede decir que cuando los fluidos se mueven en un ducto, la inercia del movimiento produce un
incremento adicional de la presin esttica al chocar sobre un rea perpendicular al movimiento. Estafuerza se produce por la accin de la presin conocida comodinmica. La presin dinmicadepende de la velocidad y la densidad del fluido.
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VARIABLES DE PROCESO
TEMPERATURA
Definicin
Latemperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o fro. Por lo general,
un objeto ms"caliente"tendr una temperatura mayor, y si fuere fro tendr una temperatura menor.
Fsicamente es una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistematermodinmico. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa
interna conocida como "energa sensible", que es la energa asociada a los movimientos de las
partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A
medida que es mayor la energa sensible de un sistema se observa que esta ms "caliente" es decir,
que su temperatura es mayor.
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VARIABLES DE PROCESO TEMPERATURA (cont.)
Unidades
La temperatura se mide con termmetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a unamultitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura. En el Sistema
Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es
la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se
grada con un tamao de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del mbito cientfico
el uso de otras escalas de temperatura es comn. La escala ms extendida es la escala Celsius (antes
llamada centgrada); y, en mucha menor medida, y prcticamente slo en los Estados Unidos, la
escala Fahrenheit. Tambin se usa a veces la escala Rankine ( R) que establece su punto de
referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamao de grado
igual al de la Fahrenheit, y es usada nicamente en Estados Unidos, y slo en algunos campos de la
ingeniera.
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VARIABLES DE PROCESO TEMPERATURA (cont.)
Comparacin de escalas de temperaturas
Se comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los
puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores para
mostrar cmo ambas convenciones coinciden. De color
negro aparecen el punto triple del agua (0,01 C, 273,16 K) y
el cero absoluto (-273,15 C, 0 K). De colorgris los puntos
de congelamiento (0,00 C, 273,15 K) y ebullicin del agua
(100 C, 373,15 K).
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VARIABLES DE PROCESO TEMPERATURA (cont.)
Kelvin Grado Celsius Grado Fahrenheit Grado Rankine
Kelvin K= K K= C+ 273,15 K= (F+ 459,67) K= Ra
Grado Celsius C= K273,15 C= C C = (F - 32) C = (Ra - 491,67)
Grado Fahrenheit F= K- 459,67 F = C + 32 F= F F= Ra459,67
Grado Rankine Ra= K Ra = (C + 273,15) Ra= F+ 459,67 Ra= Ra
Equivalencias de unidades de presin
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VARIABLES DE PROCESO TEMPERATURA (cont.)
Temperatura en distintos medios
La temperatura en los gases
Sensacin trmica
Temperatura seca
Temperatura radiante
Temperatura hmeda
Coeficiente de dilatacin trmica
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VARIABLES DE PROCESO TEMPERATURA (cont.)
Curiosidades
La temperatura ms alta registrada en nuestro planeta fue medida en el desierto de "El Azizia", en
Libia. All, el 13 de septiembre de 1922, el termmetro marc una temperatura de 57,8 C.
La temperatura ms baja jams registrada fue en la Antrtida, con -89,2 C, cerca de la estacin de
Vostok, el 21 de julio de 1983, a 3420 m de altitud.
El termmetro fue inventado en 1607 por Galileo.
La temperatura media ms alta fue registrada en Etiopa con 34,6C, entre los aos 1960 y 1966.
La temperatura media ms baja fue registrada en la estacin de Vostok, con -55,1 C, entre los aos
1961 y 1990.
La temperatura ms baja registrada en una zona habitada fue en Oymyakon, en Siberia, donde el 26
de enero de 1926, se registr una temperatura de -71,2 C.
La temperatura ms alta alcanzada en el Polo Sur fue de -13,6 C en 1978.
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VARIOS CONCEPTOS RELACIONADOS A TEMPERATURA
Elcalor es la transferencia de energa trmica desde un sistema a otro de menor temperatura. Laenerga trmica puede ser generada por reacciones qumicas (como en la combustin), reacciones
nucleares (como en la fusin nuclear de los tomos de hidrgeno que tienen lugar en el interior del
Sol), disipacin electromagntica (como en los hornos de microondas) o por disipacin mecnica
(friccin). Su concepto est ligado al Principio Cero de la Termodinmica, segn el cual dos cuerpos
en contacto intercambian energa hasta que su temperatura se equilibre.
El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformacin que
se efecte sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino.Los cuerpos no tienen calor, sino energa
interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energa interna (energa trmica) de un sistema a
otro, con la condicin de que estn a diferente temperatura.
Calor
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VARIOS CONCEPTOS RELACIONADOS A TEMPERATURA
La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energa
y el trabajo siendo Joule.
Otra unidad ampliamente utilizada para la cantidad de energa trmica intercambiada es la calora (cal),
que es la cantidad de energa que hay que suministrar a un gramo de agua a 1 atmsfera de presin para
elevar su temperatura de 14,5 a 15,5 grados celsius. La calora tambin es conocida como calora
pequea, en comparacin con la kilocalora (kcal), que se conoce como calora grande y es utilizada en
nutricin.
El BTU, (o unidad trmica britnica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en
muchos otros pases de Amrica. Se define comola cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua
para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit.
1 BTU = 252 caloras
1 cal = 4,184 J
Unidades de calor
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VARIOS CONCEPTOS RELACIONADOS A TEMPERATURA
Calor especfico
El calor especfico es la energa necesaria para elevar 1 C la temperatura de una masa determinada de
una sustancia. El concepto de capacidad calorfica es anlogo al anterior pero para una masa de un
mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura qumica de la misma).
El calor especfico es un parmetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a
una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura.
La capacidad calorfica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que
presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.
Capacidad calorfica
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VARIOS CONCEPTOS RELACIONADOS A TEMPERATURA
Cambios de fase
En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia : slido, lquido y gaseoso. Al aplicarle calor auna sustancia, sta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de
Fase.
Los posibles cambios de fase son:
de estado slido a lquido, llamado fusin
de estado lquido a slido, llamado solidificacin
de estado lquido a gaseoso, llamado evaporacin o vaporizacin
de estado gaseoso a lquido, llamado condensacin
de estado slido a gaseoso, llamado sublimacin progresiva
de estado gaseoso a slido, llamado sublimacin regresiva o deposicin
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VARIABLES DE PROCESO
NIVEL
Definicin
Se podra definir como:
Altura a la que llega la superficie de un lquido
Instrumento para averiguar la diferencia de altura entre dos puntos
Altura que alcanza algo o grado en que se sita respecto a escala.
Unidades
Unidades de longitud.
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VARIABLES DE PROCESO
CAUDAL
DefinicinSe podra definir como:
Es la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo.
Unidades de volumen
| m3 bl ft3 gl lt
metro cubico m3 1 6,2898 35,31 264 1000
barril bl 0,1589 1 5,61 42 158,98
pie cubico ft3 0,02831 0,1781 1 7,48 28,31
galn gl 0,003785 0,023809 0,1337 1 3,7854
litro Lt 0,001 0,0062898 0,03531 0,264 1
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CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD
Laviscosidad es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no
tiene viscosidad se llama fluido ideal, en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo
de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximacin bastante buena para
ciertas aplicaciones.
Explicacin de la viscosidad
Imaginemos un bloque slido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial, por ejemplo, una
goma de borrar sobre la que se sita la palma de la mano que empuja en direccin paralela a la
mesa; en este caso, el material slido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se
deforma (b), tanto ms cuanto menor sea su rigidez.
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CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD
Si imaginamos que la goma de borrar est formada por delgadas capas unas sobre otras, el
resultado de la deformacin es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las
adyacentes, tal como muestra la figura (c).
En los lquidos, el pequeo rozamiento existente entre capasadyacentes se denomina viscosidad.
Es su pequea magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares caractersticas; as, porejemplo, si arrastramos la superficie de un lquido con la palma de la mano como hacamos
con la goma de borrar, las capasinferiores no se movern o lo harn mucho ms lentamente
que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequea resistencia tangencial,
mientras que las capas superiores fluyen con facilidad.
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CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD
Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemosdepositado pequeos trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro tambin se
mueve la periferia y al revolver en la periferia tambin dan vueltas los trocitos de corcho del
centro; de nuevo, las capas cilndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad,
disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara. La viscosidad se mide en
poise, siendo un poise la viscosidad de un lquido en el que para deslizar una capa de un
centmetro cuadrado de rea a la velocidad de 1 cm/s respecto a otra estacionaria situado a 1
cm de distancia fuese necesaria a la fuerza de una dina.
La viscosidad suele decrecer en los lquidos al aumentar la temperatura, aunque algunos pocos
lquidos presentan un aumento de viscosidad cuando se calientan. Para los gases la viscosidad
aumenta al aumentar la temperatura.
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CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
MEDIDAS DE VISCOSIDAD
Coeficiente de viscosidad dinmico, designado como o .
En unidades en el SI: [] = [Pas] = [kgm-1s-1]
otras unidades:
1 Poise = 1 [P] = 10-1
[Pas] = [10-1
kgs-1
m-1
]
Coeficiente de viscosidad cinemtico, designado como , y que resulta ser igual al
cociente del coeficiente de viscosidad dinmica entre la densidad = /.
En unidades en el SI: [] = [m2.s-1]
En el sistema cegesimal es el Stoke(St)
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CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
DENSIDAD
Ladensidad odensidad absoluta es la magnitud que expresa la relacin entre la masa y el
volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro
cbico (kg/m3), aunque frecuente se expresa en g/cm3. La densidad es una magnitud
intensiva.
Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades
kilogramo por metro cbico (kg/m).
gramo por centmetro cbico (g/cm).kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decmetro cbico.
El agua tiene una densidad prxima a 1 kg/L (1000 g/dm = 1 g/cm = 1 g/mL).
gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm).
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EMUSIN
Definicin
Una emulsin es una mezcla de doslquidos inmiscibles de manera ms omenos homognea. Un lquido (la fasedispersa) es dispersado en otro (la fasecontinua o fase dispersante). Muchas
emulsiones son emulsiones deaceite/agua, con grasas alimenticiascomo uno de los tipos ms comunes deaceites encontrados en la vida diaria.Ejemplos de emulsiones incluyen la
mantequilla y la margarina, la leche ycrema, la mayonesa, etc.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
A. Dos lquidos inmiscibles, fasecontinua (I) y fase dispersa (II), no
emulsificados.
B. Emulsin de fase dispersaen la fase continua.
C. Emulsin inestable se separaprogresivamente
D. Las posiciones surfactantes (bordeprpura) en las interfaces entre la fase
continua y la fase dispersa; estabilizan la
emulsin.
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Se necesitan 3 condiciones para estabilizar una emulsin:
Los lquidos deben ser inmiscibles Presencia de un agente emulsionante
Realizacin de trabajo mecnico
EMUSIN
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
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EmulsionesAguaenPetrleo(W/O)
EmulsionesdePetrleoenAgua(O/W)
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
CLASIFICACIN DE EMUSIONES
Inversas por el contrario son las que la fase dispersa esuna substancia hidroflica y la fase continua es lipoflica.Estas se denominan W/O.
Ejemplo: margarinas, fluidos hidrulicos y la mayora delas cremas cosmticas.
Las emulsiones se clasifican en directas, inversas mltiples.
Directas son aquellas en las que la fase dispersa es unasubstancia lipoflica (aceite) y la fase continua eshidroflica (agua). Estas se denominan O/W.
Ejemplo: leche, mayonesa, pinturas, alimentos, etc.
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CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
CLASIFICACIN DE EMUSIONES
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Enlarecuperacinprimaria. Cuandoseempleanmtodosderecuperacinsecundariayterciaria. Equiposusados paraaumentarlaproduccin,ejemplo:bombasde
subsuelo
Entratamientoqumicosdepozosproductores,ejemplo:inhibidoresdecorrosin
Nuevosymejoradosmtodosderecuperacin,ejemplo,usodesurfactantes.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
FUENTE DE EMUSIONES
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Temperatura
La adicin de calor cambia la viscosidad del petrleo y las
caractersticas interfaciales de la emulsin. Se incrementa el movimiento browniano de las gotas de agua
dentro del petrleo.
En ocasiones, el calor aadido puede romper la pelculaestabilizadora de la emulsin.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
FACTORES DE ESTABILIZACIN DE EMUSIONES
Viscosidad
La viscosidad de un lquido puede ser considerada como la resistenciaal flujo. A mayor viscosidad mayor resistencia a fluir.
Un petrleo de alta viscosidad requiere ms tiempo para que las gotas
de agua decanten.
Tipo de petrleo
Petrleo pesado forma emulsiones mas estables.
Petrleo liviano forma emulsiones menos estables.
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Gravedadespecfica La gravedad especfica del petrleo y del agua tienden a producir
estabilidad en la emulsin.
En emulsiones W/O, un petrleo con alta gravedad especfica tiendea retener por ms tiempo las gotas de agua en suspensin que unocon baja gravedad especfica.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
FACTORES DE ESTABILIZACIN DE EMUSIONES
Porcentaje de agua y dimetro de gotas
Emulsiones ocurren en un amplio rango de mezclas de petrleo con agua.
Un pequeo porcentaje de agua en petrleo a menudo se emulsiona demanera estable a diferencia que grandes cantidades de agua.
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Edad de la emulsin
Las emulsiones de petrleo son sistemas que no tienen unequilibrio estable.
La estabilidad de las emulsiones se incrementa con la edad o el
tiempo, lo cual incrementa su resistencia a la deshidratacin.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
FACTORES DE ESTABILIZACIN DE EMUSIONES
Agente emulsionante o fuerza externaMayor turbulencias forman mulsiones estables.Emulsificantes slidos (no solubles).- slica, negro de humo, arcilla,
hierro, zinc, ya sea saturados por agua o por petrleo.Emulsificantes solubles.-jabones sdicos y de magnesio, carbonato decalcio, asfalto, bitumenes, sustancias resinosas, etc.
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Las emulsiones de petrleo son sistemas que no tienen un equilibrio
estable.
La estabilidad de las emulsiones se incrementa con la edad o el
tiempo, lo cual incrementa su resistencia a la deshidratacin.
CARACTERIZACIN DE FLUIDOS
AGUA LIBRE
Agente emulsionante o fuerza externa
Mayor turbulencias forman mulsiones
estables.
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