UNIVERSIDAD TECNOLGICA DEL VALLEDEL MEZQUITAL

ANLISIS DINMICO DE LAZO MULTIFSICO DE PRUEBAS EN SOLIDWORKS

MEMORIA DE ESTADAQue para obtener el ttulo deINGENIERO METALMECNICO P R E S E N T A

EMILIO OLGUN BERNAL

Generacin: Septiembre 2013 - Abril 2015.

Ixmiquilpan, Hidalgo, Abril 2015.

El presente trabajo fue elaborado por Emilio Olgun Bernal, como requisito para obtener el ttulo de Ingeniero en: METAL-MECNICA

Bajo la direccin y aprobacin de:

Mtro. Gildardo Garca Acosta. Director de Programa Educativo.

Ing. Graciano Rodrguez Lpez.Asesor Acadmico.

Agradecimiento.A mis padres Emilio Olgun Lpez y Cirina Bernal Ros por haber depositado su confianza y esfuerzo en m y nunca darse por vencidos gracias a ellos tengo ahora la oportunidad de cumplir con mis metas y haberme dado el legado ms importante de la vida que es la educacin por lo cual les estar eternamente agradecido, tambin me gustara agradecer a toda mi familia, en particular a mis tas Sofa Bernal Ros y Mara Olgun Lpez por todo su apoyo en todo este tiempo.A mis hermanos Por estar conmigo en los momentos ms difciles y por haber brindado su comprensin cuando lo necesit.A mis profesores Quisiera agradecer a mi Universidad Tecnolgica Del Valle Del Mezquital y a todos los profesores que a lo largo de mi camino por la carrera me brindaron su apoyo y la oportunidad de integrar los conocimientos suficientes para poder llamarme ingeniero, as mismo quisiera mencionar en particular al Ing. F Alejandro Mariscal que como profesor nos brind todo el apoyo posible para culminar nuestros estudios, y al Ing. Graciano Rodrguez por su apoyo y asesora para la elaboracin de la memoria y como profesora en la carrera.A Evelin Ros R.Por haber pasado conmigo todo este tiempo, por brindarme tu apoyo y amistad en todo momento, gracias por todas esas palabras de aliento que fueron fundamentales en los momentos que estuve a punto de darme por vencido, sin ti este trabajo no sera realidad.A mis amigos Por haberme apoyado en cada una de mis etapas en la vida, y por haberme motivado a siempre seguir adelante. Sinceramente

Emilio Olgun Bernal.

IntroduccinEl petrleo es un fluido que se extrae mediante la perforacin del pozo sobre un yacimiento, este sale como una mezcla completa de hidrocarburos con pequeas cantidades de otros compuestos. La proporcin de hidrocarburos que integran el petrleo vara de acuerdo con cada yacimiento. Este fluido extrado de los yacimientos es por lo general de naturaleza multifsico, pues contiene sustancias con propiedades termodinmicas gaseosas, como el gas natural, lquidas como el agua y el petrleo, y slidas como arena y otras partculas.Este fluido multifsico como una gran variedad de hidrocarburos, no se separa por s solo, es necesario la utilizacin de equipos para ese fin. El primer equipo que es utilizado en la industria petrolera es el separador trifsico, este separa el lquido multifsico que sale del yacimiento en gas y las dos fases de los lquidos inmiscibles.Este separador por lo general se encuentra en la estacin de flujo que est cerca del yacimiento. Este proceso se lleva a cabo para facilitar el manejo del petrleo, y as poder llevarlo por tuberas hasta las plantas de refinacin.Conociendo la importancia de un separador trifsico, es que se deriva el estudio de la fluido dinmica del separador. Con la tecnologa que se cuenta en la actualidad, los diferentes programas de computacin para disear y simular el comportamiento de cualquier sistema. Con la simulacin, se busca comprender el comportamiento fsico de las fases en el interior del equipo. En un futuro, con los resultados se espera establecer criterios para la optimizacin y anlisis de desempeo de tan importantes equipos para la industria petrolera.

Planteamiento del ProblemaLa produccin del petrleo ha evolucionado con el paso del tiempo, se ha mejorado su refinamiento, desde los inicios rudimentarios en la era del oro negro, hasta nuestros das que se utiliza lo ltimo en tecnologa. El separador representa la primera etapa en el proceso de refinamiento del petrleo, de ah su gran importancia.Para mejorar el funcionamiento de estos es necesario que se conozca el comportamiento de los fluidos en su interior, la separacin de las fases, el campo de presiones, velocidad de las corrientes internas entre otras caractersticas. De esta manera se podrn tomar decisiones acertadas de mejoras o cambios en el diseo de separadores que aumenten su eficiencia.

Objetivos

GeneralEste trabajo tiene por objetivo realizar una simulacin del despiece del lazo multifsico de pruebas existente en el laboratorio de perforacin, produccin y mantenimiento de posos., modelo framo (415053101). Utilizando el programa SolidWorks. Con estas simulaciones se observara como es que se encuentra ensamblado el separador.

Especficos Dimensionamiento del separador, utilizando las normas PDVSA No.90616.1.027 y las condiciones del separador existente.

Dibujar la geometra del lazo Multifsico en el programa SolidWorks.

Dibujar la geometra del lazo multifsico y compresor en el programa SolidWorks.

Realizar un video con la vista explosionada del separador multifsico de pruebas.

JustificacinEsta simulacin se realiza, ya que el laboratorio no cuenta con una simulacin virtual para observar cmo es que est integrado el lazo multifsico de pruebas pieza a pieza ayudando as a tener una idea ms clara de cmo es que est integrado el lazo, facilitando as la tomar decisiones ms certeras y en su caso realizar modificaciones a los equipos para un mejor rendimiento. .

CAPITULO IANTECEDENTES DE LA EMPRESA (IMP)

1.1.- Historia de la empresaComo consecuencia de la transformacin industrial del pas y de la necesidad de incrementar la tecnologa relacionada con el desarrollo de las industrias petrolera, petroqumica bsica, petroqumica derivada y qumica, el 23 de agosto de 1965 fue creado el Instituto Mexicano del Petrleo (IMP).

Fig. 1.1: Creacin del Instituto Mexicano del PetrleoEn el decreto que se public en el Diario Oficial el 26 de agosto de 1965, se establecen como objetivos del IMP:1. La investigacin cientfica bsica y aplicada;2. El desarrollo de disciplinas de investigacin bsica y aplicada;3. La formacin de investigadores;4. La difusin de los desarrollos cientficos y su aplicacin en la tcnica petrolera;5. La capacitacin de personal obrero que pueda desempear labores en el nivel sub-profesional, dentro de las industrias petrolera, petroqumica bsica, petroqumica derivada y qumica. A ms de cuatro dcadas, el IMP sigue cumpliendo con los objetivos que le dieron vida.

1.2.- Centro de investigacin y desarrollo tecnolgico de la industria petroleraEl IMP naci por iniciativa del entonces director general de Pemex, Jess Reyes Heroles, quien reconoci que la planeacin y el desarrollo de la industria petrolera deberan ser congruentes con las necesidades de una economa mixta. Por esta razn, consider necesario fomentar la investigacin petrolera y formar recursos humanos que impulsaran el desarrollo de tecnologa propia.En respuesta a esta exigencia, el gobierno federal decidi crear un "organismo descentralizado de inters pblico y preponderantemente cientfico, tcnico, educativo y cultural, con personalidad jurdica y patrimonio propios, cuya funcin ser buscar la independencia cientfica y tecnolgica en el rea petrolera".De esta forma, desde 1965, el Instituto Mexicano del Petrleo ha contribuido al desarrollo del pas, mediante la formacin de recursos humanos y la creacin de tecnologa propia.

Fig. 1.2: Centro de investigacin y desarrollo tecnolgico de la industria petrolera

1.3.- Los primeros pasos Una vez que se definieron los programas y se avanz en la construccin de las instalaciones, se nombr como primer director general al ingeniero Javier Barros Sierra, quien tom posesin el 31 de enero de 1966, fecha en la que se instal tambin el Consejo Directivo, presidido por el licenciado Jess Reyes Heroles.En su toma de posesin, el ingeniero Barros Sierra defini las ramas de actividad de este centro: la investigacin en geologa, geofsica, ingeniera petrolera, transporte, distribucin de hidrocarburos, economa petrolera, qumica, refinacin, petroqumica, diseo de equipo mecnico, electrnico, maquinaria y electrnica aplicada.Mes y medio despus, el 17 de marzo, se inauguraron las instalaciones del IMP, que inici sus actividades con 300 empleados y cuatro edificios para labores de investigacin y administracin.En julio de 1966, el ingeniero Barros Sierra fue nombrado rector de la UNAM, por lo que el 1 de agosto elingeniero Antonio Doval Jaimese convirti en el segundo director general del IMP, cargo que ocup hasta 1970.Durante la direccin del ingeniero Doval Jaime, se elabor un plan a largo plazo de la industria petrolera y petroqumica bsica y se decidi establecer, a partir de 1969, las representaciones de zona, primero en Tampico, luego en Salamanca, Poza Rica y Coatzacoalcos. De esta forma, los primeros frutos de la investigacin petrolera se extendieron a otros puntos del pas.Con elingeniero Bruno Mascanzoni Fabridirector general de 1970 a 1978 se propici el desarrollo cientfico y tecnolgico en diversas reas de la industria petrolera. El IMP comenz el registro de sus primeras patentes, alcanz la comercializacin de sus primeros resultados e inici proyectos mancomunados con empresas extranjeras.

En 1977, se acord que las entidades de la administracin pblica paraestatal se agruparan por sectores, con el fin de que sus relaciones con el Ejecutivo Federal se realizaran mediante una secretaria de Estado o departamento administrativo. El IMP qued agrupado en el sector industrial mediante la Secretara de Patrimonio y Fomento Industrial.De 1978 a 1982, elingeniero Agustn Straffon Arteagadirigi a la institucin, en el que se considera el mejor periodo de la industria petrolera mexicana. En esa poca se descubrieron los yacimientos de la Sonda de Campeche, unindola a los esfuerzos de Pemex en el magno reto de llevar al pas a los primeros lugares en la produccin petrolera mundial. Se inyectaron recursos para una mayor y mejor investigacin, principalmente en petroqumica y refinacin, pues se vean como dos reas estratgicas para la exportacin de crudo procesado.Bajo la direccin delingeniero Jos Luis Garca Luna(1982-1988), se inici la descentralizacin de sus actividades hacia otros puntos del pas y se construy el Parque IndustrialLa Reforma, que ahora alberga importantes laboratorios.El 29 de abril de 1982 se cre la zona Noroeste, como imperativo para impulsar la promocin de los servicios tecnolgicos del instituto y ampliar su mercado, esencialmente en los estados de Nuevo Len y Coahuila.

Fig. 1.3: IMP Inicios1.4.- Crecimiento del IMPElingeniero Femando Manzanilla Sevillase convirti en el sexto director general del IMP (1988-1992). Adems de ser pionero del instituto y funcionario en Pemex, era un profesional reconocido por su autoridad tcnica en materia petrolera. Reestructur las actividades involucradas en la investigacin bsica y tecnolgica y dio origen a la Subdireccin de Investigacin Cientfica Aplicada.

Fig. 1.4: Instalaciones del IMPFue en el periodo del ingeniero Manzanilla Sevilla cuando se transform la Ley Orgnica de Pemex y se opt por separar las tareas industriales y comerciales de la paraestatal. Con ello surgieron Pemex Exploracin y Produccin; Pemex Refinacin; Pemex Gas y Petroqumica Bsica; Pemex Petroqumica, de carcter tcnico, industrial y comercial, con personalidad jurdica y patrimonio propios.La nueva estructura de Pemex dio pauta al Instituto Mexicano del Petrleo para delinear otras actividades de investigacin y desarrollo de tecnologas. Con elingeniero Vctor Manuel Alcrreca Snchez como director (1992-1995), se impulsaron distintas reas estratgicas de la institucin y se implantaron medidas administrativas para mejorar su posicin financiera.A partir de 1994, se consider una nueva organizacin estructurada por unidades de negocio para el fortalecimiento de diversas reas de investigacin, desarrollo tecnolgico, ingeniera bsica de proceso y servicios tcnicos especializados.Eldoctor Francisco Barns de Castro(1995-1996) promovi el mejoramiento de la calidad de los recursos humanos y el desarrollo de proyectos de investigacin de inters para las subsidiarias de Pemex.En su gestin, se cre el Fondo de Apoyo a la Investigacin Bsica y Tecnolgica con la participacin de los investigadores de las Instituciones de Educacin Superior, denominado FIES, en los campos de exploracin, produccin, procesamiento, manejo, distribucin, economa de la energa y uso no contaminante de los hidrocarburos y sus derivados, con el objetivo de contribuir al avance y desarrollo de nuevas metodologas de trabajo que ayudaran a fortalecer la posicin competitiva de Pemex.Durante la gestin deldoctor Gustavo Chpela Castaares(1996-2005) se trabaj en dos objetivos fundamentales: la construccin de una masa crtica de investigacin y el desarrollo de proyectos estratgicos en reas como yacimientos naturalmente fracturados, transporte de hidrocarburos, procesamiento de crudo Maya, combustibles limpios, aguas profundas, optimizacin energtica, proteccin ambiental y seguridad industrial.Asimismo, con la adquisicin de la herramienta SAP R/3 y la puesta en marcha del Sistema Integral de Informacin del IMP (SIIIMP), se impuls una nueva forma de trabajo que agiliz todos los trmites administrativos y de gestin, a partir de 1999.Como resultado de la aprobacin de la Ley de Ciencia y Tecnologa y sus posteriores modificaciones, el IMP obtuvo el 21 de julio de 2000 el reconocimiento como Centro Pblico de Investigacin, lo que deriv en la modificacin de su Decreto de Creacin y a partir del 30 de octubre de 2001, en la estructuracin de un Programa de Posgrado, que faculta al IMP para formar especialistas, maestros, doctores e investigadores en las reas de su actividad.1.5.- Refrendando el compromiso Elingeniero Jos Antonio Ceballos Soberanis, como Director General del IMP (2005-2006), tuvo como principal objetivo reafirmar los principios que le dieron origen y retomar su vocacin de realizar investigacin y desarrollos tecnolgicos alineados a los intereses de Petrleos Mexicanos; ofrecer productos que generen valor a Pemex; entregar servicios tcnicos con calidad y de manera expedita, eficiente y eficaz; mantener a Pemex actualizado de los avances tecnolgicos y de las oportunidades de aplicacin; mejorar la calidad y competitividad de los servicios tcnicos, as como la disponibilidad de los recursos humanos especializados.

Fig. 1.5: Direccin general.En febrero de 2007, cuando asumi el encargo de Director General del IMP, eldoctor Hber Cinco Ley(2007-2010) refrend el compromiso de la institucin para seguir siendo un centro pblico de investigacin concebido para generar tecnologa propia que le agregue valor a Pemex y le permita tener ventajas competitivas en los mbitos nacional e internacional; as como capacitar y actualizar a los trabajadores de la industria ms importante del pas.Para responder a los retos tecnolgicos de la industria, el IMP focaliz sus actividades de investigacin y desarrollo tecnolgico en reas estratgicas relacionadas con la exploracin y explotacin de yacimientos en aguas profundas, crudos pesados, explotacin de aceite terciario del Golfo (Chicontepec) y la produccin de combustibles limpios.A la luz de los requerimientos de la industria ms importante del pas, eldoctor Jos Enrique Villa Rivera, en su calidad de Director General del IMP (2010-2011), inici una transformacin profunda de la institucin con el fin de fortalecer sus dos actividades sustantivas: la investigacin y los servicios que proporciona a Petrleos Mexicanos, para as recuperar el liderazgo tecnolgico y cientfico del Instituto.Para ello, su gestin se regir por los principios de transparencia, calidad, competitividad, rendicin pblica de los resultados del quehacer institucional y un ejercicio austero de los recursos institucionales, en apego al marco normativo, con los que est convencido el IMP avanzar en su reposicionamiento y en la construccin de una organizacin ms abierta, flexible y sensible a las necesidades de Pemex y del pas.Para marzo de 2011, el Instituto ya era dirigido por su dcimo tercer Director General, eldoctor Efrn Parada Arias,quien se comprometi a enfrentar los retos de la institucin para apoyar y dar soluciones a la industria petrolera nacional y dar continuidad y profundizar el proceso de cambio institucional ya iniciado. Lo anterior conjuntamente con la comunidad IMP, la cual ha acumulado un gran conocimiento acerca de las operaciones y procesos sustantivos de Pemex, adems de que cuenta con el activo ms importante en el pas en infraestructura especializada.Durante la administracin del doctor Efrn Parada, la institucin fue reconocida en diversos mbitos, tal es el caso del Modelo de Administracin por Procesos (MAP), distinguido por la Secretara de la Funcin Pblica como caso de xito; as como del registr de calidad que expidi QMI SAI Global, mediante el cual este centro pblico de investigacin se convirti en la primera institucin del sector pblico certificada en todos sus procesos, tanto los de investigacin y operativos como los financieros y administrativos, al cumplir con los requisitos de la norma ISO 9001: 2008. A partir de junio de 2012, se inici la gestin delDoctor Vinicio Suro Prezcomo Director General del IMP; a quien corresponde asumir el compromiso de reorganizar y adecuar al Instituto, con el fin de fortalecerlo, convertirlo en soporte tcnico y tecnolgico fundamental para Petrleos Mexicanos y el resto de la industria petrolera, que proporcione servicios tecnolgicos orientados a optimizar los procesos de produccin y transformacin, tanto en exploracin y extraccin como transformacin industrial.Lo anterior, derivado de la Reforma Energtica del 2014 y de la reestructuracin de Petrleos Mexicanos como una empresa productiva del Estado para aprovechar al mximo los recursos disponibles.La reforma energtica adems de la reestructuracin de Petrleos Mexicanos, tambin motivo la reforma del Decreto de Creacin del Instituto, cuyo objeto predominante es:Realizar investigaciones, el desarrollo tecnolgico, la innovacin, el escalamiento de procesos y productos, la prestacin de servicios tecnolgicos orientados a optimizar los procesos de produccin y transformacin, tanto en exploracin y extraccin como en la transformacin industrial y comercializacin nacional e internacional de sus resultados en el sector hidrocarburos, as como la capacitacin especializada en las reas de su actividad.Otros cambios principales son: El Consejo de Administracin ser presidido por el titular de la SENER, se integrar por diez consejeros, en el que PEMEX participa con uno y se contar adems con 2 consejeros independientes que sern designados por el Titular del Ejecutivo Federal Se estable la Ley de Ciencia y Tecnologa como disposicin a la que se sujetar la organizacin y funcionamiento del Instituto, especificando a la Ley Federal de las Entidades Paraestatales, como ordenamiento supletorio, siempre y cuando sea para fortalecer su autonoma tcnica, operativa y administrativa Se adicionan a su objeto primordial la innovacin y el escalamiento de procesos y productos1.6.- Misin y visin

Misin Realizar investigacin y desarrollo tecnolgico para agregar valor a Petrleos Mexicanos e impulsar su crecimiento a travs de la comercializacin de productos originales y servicios integrales.

Visin Ser el socio tecnolgico de preferencia de Petrleos Mexicanos, por su capital humano lder en sus reas de especializacin y por sus soluciones integrales.

CAPITULO IIMARCO TERICO

2.1.- Flujo MultifsicoPara el contexto de este trabajo, el trmino corriente multifsico se utiliza para referirse a cualquier fluido que conste de ms de una fase o componente. Se excluye de estas circunstancias, el que los componentes estn bien mezclados por encima del nivel molecular. En consecuencia, en los flujos que se han considerado en este trabajo los componentes de las fases se encuentran separados a una escala muy por encima del nivel molecular. Esto deja todava un enorme espectro de diferentes corrientes de multifsico.Un tema persistente a lo largo del estudio del flujo multifsico es la necesidad de modelos para predecir el comportamiento detallado de los flujos y los fenmenos que se manifiestan. Hay tres maneras en que esos modelos se exploran: (1) experimentalmente, a travs del laboratorio utilizando escalas de los modelos equipados con la correspondiente instrumentacin, (2) tericamente, utilizando ecuaciones matemticas y modelos de flujo, y (3) computacionalmente, usando el poder de las computadoras modernas para hacer frente a la complejidad de la corriente y su comportamiento fsico. Es evidente que hay algunas aplicaciones en las que se puede implementar la escala de un modelo dentro del laboratorio para hacerlo posible. Pero en muchos casos, el modelo de laboratorio debe tener una escala muy diferente a la del prototipo y es en estos casos que entra un socio fiable, el modelo terico o modelo computacional, estos modelos son esenciales para la confianza en la extrapolacin a la escala del prototipo.En consecuencia, la capacidad predictiva y la comprensin fsica dependen en gran medida de modelos tericos y/o computacionales. Sin embargo la complejidad del comportamiento de la mayora de los flujos multifsico presenta un gran obstculo para estos modelos.

2.2.- Definiciones Flujo No-HomogneoEl flujo multifsico no-homogneo se refiere al caso donde existen diferentes campos de velocidad y otras caractersticas pertinentes para cada lquido. El campo de presin es compartida por todos los fluidos. El fluido interacta por medio de los trminos de transferencia de interfaces.

Flujo HomogneoEl flujo multifsico homogneo es un caso lmite del fluido multifsico Eulerian- Eulerian donde todos los fluidos que comparten los mismos campos de velocidad y otras caractersticas pertinentes tales como la temperatura, turbulencias, etc. El campo de presin tambin es compartida por todos los fluidos.

Superficie LibreLa superficie libre de un flujo se refiere a una situacin en la que el fluido multifsico (para el presente caso de estudio agua, aire y petrleo) est separado por distintas interfaces. El fluido en superficie libre con el modelo no homogneo puede ser usado para permitir la separacin entre dos fase, esto es requerido si se encuentra una fase dentro de otra y se quiere que se separen de nuevo.

Tensin SuperficialLa tensin superficial en la interfaz de un lquido y un gas, que es una fuerza de tensin distribuida a lo largo de la superficie, se debe primordialmente a la atraccin molecular entre molculas parecidas (cohesin) y a la atraccin molecular entre molculas diferentes (adhesin). En el interior de un lquido (vase la figura 2.1) las fuerzas cohesivas se cancelan, pero en la superficie libre del lquido las fuerzas cohesivas desde abajo exceden las fuerzas adhesivas desde el gas localizado por encima, dando como resultado una tensin superficial.

Fig. 2.1: Fuerzas cohesivas y fuerzas adhesivas.sta es la razn por la cual una gota de agua adquiere una forma esfrica, y los pequeos insectos pueden posarse en la superficie de un lago sin hundirse. La tensin superficial se mide como una intensidad de carga lineal tangencial a la superficie y se da por unidad de longitud de una lnea dibujada sobre la superficie libre. Adems, la carga es perpendicular a la lnea, como se muestra en la figura 2.2, donde AB se localiza sobre la superficie libre. se conoce como coeficiente de tensin superficial y es la fuerza por unidad de longitud transmitida desde la superficie de fluido localizada a la izquierda de AB hasta la superficie de fluido localizada a la derecha de AB con una direccin perpendicular a la lnea AB.

Fig. 2.2: Tensin superficial .

2.3.- Fundamentos de Mecnica de FluidosA continuacin se definir la densidad y la viscosidad, estas propiedades son de gran inters en el estudio del separador.DensidadLa densidad es la masa por unidad de volumen, y viene dada por:

Donde m es la masa en kg y V es el volumen en m3 en unidades del sistema internacional.ViscosidadPara un flujo bien ordenado o laminar, es decir, que est libre de fluctuaciones macroscpicas de velocidades, en el que las partculas de fluido se mueven en lneas rectas y paralelas (flujo paralelo), la ley de viscosidad de Newton establece que para ciertos fluidos conocidos como fluidos newtonianos, el esfuerzo cortante sobre una interfaz tangente a la direccin de flujo es proporcional a la tasa de cambio de la velocidad con respecto a la distancia, donde la diferenciacin se toma en una direccin normal a la interfaz. Matemticamente se establece como:

La figura 2.3 puede explicar con ms detalle esta relacin. Se escoge un rea infinitesimal en el flujo que sea paralela al eje de velocidad horizontal, como se muestra. Se dibuja la normal n a esta rea y se grafican las velocidades del fluido en puntos a lo largo de la normal, formando de esta manera un perfil de velocidad. La pendiente del perfil hacia el eje n en la posicin correspondiente al elemento de rea es el valor V/n, el cual se relaciona, tal como se plante anteriormente, con el esfuerzo cortante presente en la interfaz. Fig. 2.3: Flujo paralelo bien ordenado.Al insertar el coeficiente de proporcionalidad en la ley de viscosidad de Newton se llega al resultado:

Donde se conoce como el coeficiente de viscosidad dinmica. En el sistema de unidades CGS, la unidad de viscosidad es el poise, que corresponde a 1 g/ (cms). El centipoise es 1/1OO de un poise. La unidad SI para la viscosidad es 1 kg/ms. sta no tiene un nombre en particular y es 10 veces mayor que el poise, como se deduce utilizando las unidades bsicas. En el sistema USCS (sistema de clasificacin unificado), la unidad del coeficiente de viscosidad es 1 slug/pies y en el sistema SI no tiene nombre. Otro coeficiente de viscosidad, llamado viscosidad cinemtica, viene definido por:

Donde es la densidad del fluido y es la viscosidad cinemtica cuyas unidades son m2/s.Como se estableci previamente, la viscosidad no depende en gran medida de la presin. Sin embargo, se observa que la viscosidad de un lquido disminuye con un aumento en la temperatura, mientras que en un gas curiosamente ocurre lo contrario.La explicacin de estas tendencias es la siguiente: en un lquido las molculas tienen una movilidad limitada con fuerzas cohesivas grandes presentes entre las molculas.Esto se manifiesta en la propiedad del fluido que se ha llamado viscosidad. Un aumento en la temperatura disminuye la cohesin entre las molculas (en promedio, se apartan ms) y existe un decrecimiento en la pegajosidad del fluido, es decir, un descenso en la viscosidad. En un gas las molculas tienen una gran movilidad y generalmente estn apartadas pues, en contraste con un lquido, existe poca cohesin entre ellas. Sin embargo, las molculas interactan chocando unas con otras durante sus movimientos rpidos. La propiedad de viscosidad resulta de estos choques.La variacin de la viscosidad de los gases con la temperatura puede aproximarse por alguna de las siguientes dos leyes conocidas, respectivamente, como la ley deSutherland y la ley de potencia, como sigue:

Donde es una viscosidad conocida a una temperatura absoluta T0 y donde S y n son constantes determinadas mediante el ajuste de una curva. Ntese que T es la temperatura absoluta a la cual est . Para determinar la viscosidad de los lquidos, se utiliza la siguiente formula simple:

Donde A y B son constantes encontradas nuevamente al ajustar datos a una curva para un lquido particular.2.4.- Ecuaciones FundamentalesA continuacin tendremos las ecuaciones fundamentales para resolver la fluido dinmica del separador. Fraccin VolumtricaVolumen de un componente dividido por la suma de todos los componentes antes de la mezcla. El tanto por ciento en volumen representa 100 veces la fraccin en volumen, como se observa en las ecuaciones a continuacin: Para un separador trifsico sera de la siguiente manera:

Conservacin de la masaA partir del balance de masa en un volumen de control infinitesimal, haciendo que el flujo neto de masa que entra en el elemento es igual a la rapidez de cambio de la masa del elemento.

La ecuacin de continuidad es una consecuencia del principio de conservacin de la masa. Para un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier seccin de una corriente de fluido, por unidad de tiempo, es constante. Esta puede calcularse como sigue:

Que para fluidos incomprensibles:

Donde A1 y V1 son, respectivamente, el rea de la seccin recta en m2 y la velocidad media de la corriente en m/s.

Ecuaciones de Navier StokesSi el fluido es real y por tanto viscoso. Una deduccin de las ecuaciones de Euler, conduce a las ecuaciones diferenciales del movimiento de un fluido viscoso o ecuaciones de Navier Stokes. Su expresin es la siguiente: Donde es el operador de Laplace, cuya expresin es:

Y es la viscosidad cinemtica. Ecuacin de BernoulliSe obtiene la ecuacin de la energa al aplicar al flujo de fluido el principio de conservacin de la energa. La energa que posee un fluido en movimiento est integrada por la energa interna y las energas debidas a la presin, a la velocidad y a su posicin en el espacio. En la direccin del flujo, el principio de la energa se traduce en la siguiente ecuacin, al hacer el balance de la misma, para los flujos permanentes de fluidos incompresibles se reduce a:

2.5.- Separacin de FlujoLa estacin de flujo y recoleccin de la produccin de los pozos la componen un grupo de instalaciones que facilitan el recibo, la separacin, medicin, tratamiento, almacenamiento y despacho del petrleo. El flujo del pozo consiste preponderantemente de petrleo, al cual est asociado un cierto volumen de gas.Estacin de FlujoEn la industria petrolera a nivel mundial siempre se cumple las fases de explotacin, produccin y comercializacin de los hidrocarburos y sus derivados, una vez que el petrleo llega a la superficie este se recolecta mediante procesos asociados al manejo de crudo, el gas se separa para ser transferidos a las plantas de compresin, mientras que el crudo es bombeado a los patios de tanques para su adecuacin y distribucin.Las estaciones de flujo juegan un papel muy importante en toda esta cadena, siendo esta instalacin de superficie muy importante para la distribucin del crudo hacia las diferentes reas donde ser llevado el crudo producido. Los diferentes tipos de crudos recolectados que llegan a las estaciones de flujo, son transferidos a travs de tuberas hacia separadores y los patios de tanques, donde finalmente se almacena la produccin de petrleo de una determinada rea, con el objeto de ser tratado, eliminndose el agua, el gas y colocando el crudo bajo especificaciones comerciales para la venta. Un esquema de una estacin de flujo.

Fig. 2.4 Esquema de una estacin de flujo2.5.- Mltiple de AdmisinEn la estacin de flujo y de recoleccin, el mltiple de produccin representa un sistema de recibo al cual llega el flujo ducto de cada uno de los pozos productores asignados a esa estacin. El mltiple facilita el manejo de la produccin total de los pozos que ha de pasar por los separadores como tambin el aislamiento de pozos para pruebas individuales de produccin. Por medio de las interconexiones del sistema y la disposicin apropiada de vlvulas, se facilita la distribucin, el manejo y el control del flujo de los pozos. Un mltiple de admisin se muestra en la figura

Fig. 2.5: Mltiple de Admisin2.6.- Separadores de produccinEs muy importante la separacin del petrleo del gas, del agua y de los sedimentos que lo acompaan desde el yacimiento. Para realizar la separacin del gas del petrleo se emplean separadores del tipo vertical y horizontal, cuya capacidad para manejar ciertos volmenes diarios de crudo y de gas, a determinadas presiones y etapas de separacin, vara de acuerdo a las especificaciones de manufactura y funcionamiento requeridos.Los separadores se fabrican de acero, cuyas caractersticas corresponden a las normas establecidas para funcionar en etapas especficas de alta, mediana o baja presin. En la separacin de gas y petrleo es muy importante considerar la expansin que se produce cuando el gas se desprende del petrleo y la funcin que desempea la presin. Adems, en el interior del separador, a travs de diseos apropiados, debe procurarse el mayor despojo de petrleo del gas, de manera que el gas salga lo ms limpio posible y se logre la mayor cantidad posible de petrleo. La separacin para una, dos o tres etapas est regulada por factores tales como la presin de flujo en el cabezal del pozo, la presin con que llega a la estacin, la relacin gas-petrleo, la temperatura y el tipo de crudo.La ltima etapa de separacin ocurre en los tanques de almacenamiento, donde todava se desprende gas del petrleo, a una presin levemente mayor o igual a la atmosfrica.Adems de un proceso tecnolgico, la separacin procura envolver la mayor obtencin de crudo que, por ende, significa la mayor extraccin de petrleo del yacimiento y el consiguiente aumento de ingresos. Cuando la produccin est acompaada de cierta cantidad de agua, que adems tanto sta como el petrleo pueden contener elementos corrosivos, entonces la separacin involucra otros tipos adicionales de tratamiento como el calentamiento, aplicacin de anticorrosivos, de mulsificadores, lavado y desalacin del crudo, tanques especiales para asentamiento de los elementos nocivos al crudo y al gas y otros procesos que finalmente acondicionen el crudo y el gas producidos para satisfacer las especificaciones requeridas para la entrega y venta a los clientes.2.7.- Equipos Separadores de FaseLos fluidos producidos en el cabezal del pozo son mezclas complejas de compuestos de hidrgeno y carbono con densidades y presiones de vapor diferentes, y otras caractersticas. La corriente del pozo experimenta reducciones continuas de presin y temperatura cuando sale del yacimiento. Gases se forman de los lquidos, el vapor del agua se condensa, y parte de la corriente del pozo se cambia de lquido a burbujas, neblina y gas libre. El gas lleva burbujas lquidas y el lquido lleva burbujas de gas.La separacin fsica de estas fases es una de las operaciones bsicas de la produccin, el procesamiento, y el tratamiento de petrleo y gas. Los separadores de petrleo y gas separan los componentes lquidos y de gas que existen en una temperatura y presin especfica mecnicamente, para eventualmente procesarlos en productos vendibles. Un recipiente de separacin normalmente es el recipiente inicial de procesamiento en cualquier instalacin, y el diseo inapropiado de este componente puede embotellar y reducir la capacidad de la instalacin completa.Los separadores son clasificados de dos fases si separan gas de la corriente total de lquidos como se muestra en la figura 2.6 y de tres fases si tambin separan la corriente lquida en sus componentes de petrleo y agua como se muestra en la figura 2.6. Algunas veces los separadores son nombrados depuradoras de gas cuando la relacin de la tasa de gas a lquido es muy alta. Algunos operadores utilizan el trmino trampa para separadores que manejan el flujo directamente de los pozos. De todas maneras, todos tienen la misma configuracin y sus tamaos son escogidos de acuerdo a los mismos procedimientos.

Figura 2.6: Separador Horizontal Bifsico.2.7.1.- Funciones que debe realizar un SeparadorUn recipiente bien diseado hace posible una separacin del gas libre y de los diferentes lquidos. Por ende, el objetivo es cumplir con las siguientes funciones: Permitir una primera separacin entre los hidrocarburos, esencialmente lquidos y gaseoso. Refinar an ms el proceso, mediante la recoleccin de partculas atrapadas en cada fase. Liberar parte de la fraccin gaseosa que pueda permanecer en la fase lquida. Descargar, por separado, las fases lquidas y gaseosa, para evitar que se puedan volver a mezclar parcial o totalmente.2.7.2.- Descripcin de un SeparadorEl proceso de separacin de los fluidos consta de cuatro secciones, estas se pueden observar en la figura 2.7, esta figura corresponde a un separador horizontal. Seccin de separacin inicial.La separacin en esta seccin se realiza mediante un cambio de direccin de flujo. El cambio de direccin se puede efectuar con una entrada tangencial de los fluidos al separador; o bien, instalando adecuadamente una placa desviadora a la entrada. Con cualquiera de las dos formas se le induce fuerza centrfuga al flujo, con la que se separan grandes volmenes de lquido.

Seccin de las fuerzas gravitacionales.En esta seccin se separa la mxima cantidad de gotas de lquido de la corriente de gas. Las gotas se separan principalmente por la gravedad por lo que la turbulencia del flujo debe ser mnima. Para esto, el separador debe tener suficiente longitud. En algunos diseos se utilizan veletas o aspas alineadas para reducir an ms la turbulencia, sirviendo al mismo tiempo como superficies colectoras de gotas de lquido. La eficiencia de separacin en esta seccin, depende principalmente de las propiedades fsicas del gas y del lquido, del tamao de las gotas de lquido suspendidas en el flujo de gas y del grado de turbulencia.

Seccin de extraccin de neblina.En esta seccin se separan del flujo de gas, las gotas pequeas de lquido que no se lograron eliminar en las secciones primaria y secundaria del separador. En esta parte se utilizan el efecto de choque y/o la fuerza centrfuga como mecanismos de separacin. Mediante estos mecanismos se logra que las pequeas gotas de lquido, se colecten sobre una superficie en donde se acumulan y forman gotas ms grandes, que se drenan a travs de un conducto a la seccin de acumulacin de lquidos o bien caen contra la corriente de gas a la seccin de separacin primaria. El dispositivo utilizado en esta seccin, conocido como extractor de niebla, est constituido generalmente por un conjunto de veletas o aspas; por alambre entretejido, o por tubos ciclnicos.

Seccin de recepcin de lquidos.En esta seccin se almacena y descarga el lquido separado de la corriente de gas. Esta parte del separador debe tener la capacidad suficiente para manejar los posibles baches de lquido que se pueden presentar en una operacin normal. Adems debe tener la instrumentacin adecuada para controlar el nivel de lquido en el separador. Esta instrumentacin est formada por un controlador y un indicador de nivel, un flotador y una vlvula de descarga. La seccin de almacenamiento de lquidos debe estar situada en el separador, de tal forma que el lquido acumulado no sea arrastrado por la corriente de gas que fluye a travs del separador.

Fig. 2.7: Secciones Del Separador2.7.3.- Mecanismos de SeparacinLa separacin de mezclas de gas y lquido, se logra mediante una combinacin adecuada de los siguientes factores: gravedad, fuerza centrfuga y choque. Separacin por GravedadEs el mecanismo de separacin que ms se utiliza, debido a que el equipo requerido es muy simple. Cualquier seccin ampliada en una lnea de flujo acta como asentador por gravedad, de las gotas de lquido suspendidas en una corriente de gas. El asentamiento se debe a que se reduce la velocidad del flujo.En los separadores el asentamiento por gravedad se obtiene principalmente en la seccin de las fuerzas gravitatorias, que se conoce tambin como seccin secundaria.La velocidad de asentamiento calculada para una gota de lquido de cierto dimetro, indica la velocidad mxima que debe tener el gas, para permitir que partculas de este dimetro o mayor se separen.

Separacin por fuerza centrfuga.La fuerza centrfuga que se induce a las partculas de lquido suspendidas en una corriente de gas, puede ser varios cientos de veces mayor que la fuerza de gravedad que acta sobre las mismas partculas. Este principio mecnico de separacin se emplea en un separador, tanto en la seccin de separacin primaria como en algunos tipos de extractor de niebla, por ejemplo en el extractor tipo ciclnico.Las partculas de lquido colectadas en las paredes de un extractor de niebla tipo ciclnico, difcilmente son arrastradas por la corriente de gas. Sin embargo la velocidad del gas en las paredes del tubo ciclnico, no debe ser mayor de un cierto valor crtico. La ley de Stokes se puede aplicar al proceso de separacin centrfuga, sustituyendo gravedad por la aceleracin debida a la fuerza centrfuga.

Separacin por choqueEste mecanismo de separacin es tal vez el que ms se emplea en la eliminacin de las partculas pequeas de lquido suspendidas en una corriente de gas. Las partculas de lquido que viajan en el flujo de gas, chocan con obstrucciones donde quedan adheridas. La separacin por choque se emplea principalmente en los extractores de niebla tipo veleta y en los de malla de alambre entretejido.2.7.4.- Clases de SeparadoresLos separadores se clasifican en tres tipos:1. Separadores horizontales.Cilindro instalado horizontalmente, empleado cuando existen grandes volmenes de lquido, crudos espumosos y emulsiones. En la figura 2.8 se observa un separador horizontal trifsico, en este se muestra las partes principales de este tipo de separador haciendo nfasis en el sistema de control.

Fig. 7.8. Separador horizontal trifsico parte interior

Fig. 2.8.1: Separador Horizontal Trifsico parte exterior y componentesVentajas Tienen mayor capacidad para manejar gas que los verticales. Son ms econmicos que los verticales. Son ms fciles de instalar que los verticales. Son muy adecuados para manejar aceite con alto contenido de espuma.Desventajas No son adecuados para manejar flujos de pozos que contienen materiales slidos como arena o lodo, pues es difcil limpiar este tipo de separadores. El control de nivel de lquido es ms crtico que en los separadores verticales.

2. Separadores VerticalesDispositivo cilndrico instalado verticalmente, para separar el petrleo del gas. En la figura 2.9 se muestra un separador vertical con la respectiva nomenclatura que se aplica en PDVSA.

Fig. 2.9: Separador Vertical

Ventajas Es fcil mantenerlos limpios, por lo que se recomiendan para manejar flujos de pozos con alto contenido de lodo, arena o cualquier material slido. El control de nivel de lquido no es crtico, puesto que se puede emplear un flotador vertical, logrando que el control de nivel sea ms sensible a los cambios. Debido a que el nivel de lquido se puede mover en forma moderada, son muy recomendables para flujos de pozos que producen por bombeo neumtico, con el fin de manejar baches imprevistos de lquido que entren al separador.

Desventajas Son ms costosos que los horizontales. Son ms difciles de instalar que los horizontales. Se necesita un dimetro mayor que el de los horizontales para manejar la misma cantidad de gas.

3. Separadores EsfricosLos separadores esfricos pueden ser considerados como un caso especial de separadores verticales sin un casco cilndrico entre los dos cabezales. Este diseo puede ser muy eficiente de punto de vista de contencin de presin, pero debido a su capacidad limitada de oleada lquido y dificultades con la fabricacin, los separadores esfricos ya no son especificados para aplicaciones para campos petrolferos.

2.8.- Factores que afectan la separacin entre el gas y lquido. Tamao de las partculas de lquido.El tamao de las partculas suspendidas en el flujo de gas, es un factor importante en la determinacin de la velocidad de asentamiento en la separacin por gravedad y en la separacin por fuerza centrfuga. Tambin es importante en la determinacin de la distancia de paro, cuando la separacin es por choque. La velocidad promedio del gas en la seccin de separacin secundaria, corresponde a la velocidad de asentamiento de una gota de lquido de cierto dimetro, que se puede considerar como el dimetro base. Tericamente todas las gotas con dimetro mayor que la base deben ser eliminadas. En realidad lo que sucede es que se separan partculas ms pequeas que el dimetro base, mientras que algunas ms grandes en dimetro no se separan. Lo anterior es debido a la turbulencia del flujo, y a que algunas de las partculas de lquido tienen una velocidad inicial mayor que la velocidad promedio del flujo de gas. Velocidad del gasEl flujo de gas se debe separar en la seccin de separacin secundaria. Cuando se aumenta la velocidad del gas a travs del separador, sobre un cierto valor establecido en su diseo, aunque se incremente el volumen de gas manejado no se separan totalmente las partculas de lquido mayores al calor establecido en la seccin de separacin secundaria. Con esto se ocasiona que se inunde el extractor de niebla y como consecuencia, que haya arrastres repentinos de baches de lquido en el flujo de gas que sale del separador. Presin de separacinEs uno de los factores ms importantes en la separacin, desde el punto de vista de la recuperacin de lquidos. Siempre existe una presin ptima de separacin para cada situacin en particular. La capacidad de los separadores tambin es afectada por la presin de separacin. Al aumentar la presin, aumenta la capacidad de separacin de gas y viceversa.

Temperatura de separacinEn cuanto a la recuperacin de lquidos, la temperatura de separacin interviene de la siguiente forma: a medida que disminuye la temperatura de separacin, se incrementa la recuperacin de lquidos en el separador.

Densidades del lquido y del gas Las densidades del lquido y del gas, afectan la capacidad de manejo de gas de los separadores. La capacidad de manejo de gas de un separador, es directamente proporcional a la diferencia de densidades del lquido y del gas e inversamente proporcional a la densidad del gas.

Viscosidad del gas.El efecto de la viscosidad del gas en la separacin, se puede observar de las frmulas para determinar la velocidad del asentamiento de las partculas de lquido. La viscosidad del gas se utiliza en el parmetro NRE, con el cual se determina el valor del coeficiente de arrastre. De la ley de Stokes, utilizada para determinar la velocidad de asentamiento de partculas de cierto dimetro, se deduce que a medida que aumenta la viscosidad del gas, disminuye la velocidad de asentamiento y por lo tanto, la capacidad de manejo de gas del separador.2.9.- Dinmica de Fluido Computacional (CFD)El programa CFD (Computational Fluid Dynamics) es un cdigo basado en el mtodo de elemento finito. Analiza el sistema que est integrado por fluido, y los fenmenos relacionados a ste como la transferencia de calor y las reacciones qumicas usando distintos instrumentos para simular el comportamiento de los sistemas de flujo, trabaja con las ecuaciones de fluidos a lo largo de una regin de inters, con determinadas condiciones en la frontera de esa regin. Las tcnicas usadas son muy poderosas y tienen un amplio campo en las aplicaciones industriales como la investigacin de sus procesos.

Algunos ejemplos de estas reas en las cuales se puede usar CFD son: En la aerodinmica de aviones y vehculos, para estudiar el levantamiento y arrastre. Hidrodinmica de los barcos. Las plantas de poder: para estudiar la combustin. Turbo mquinas: para el estudio de los fluidos dentro del equipo. Procesos qumicos de ingeniera: el estudio de mezcla y separadores. Ingeniera marina: para las estructuras mar adentro BiomecnicaEl programa CFD es una herramienta de uso casi exclusivo a la investigacin. Los recientes avances en la potencia de las computadoras, junto con los potentes modelos grficos interactivos en 3D, han hecho que en el proceso de creacin de un modelo de CFD y el anlisis de resultados resulte mucho menos intensiva la utilizacin de la mano de obra, reduciendo el tiempo y por ende, los costos. Esto en gran medida es gracias a los avances obtenidos en los aos 80 y la creacin de avanzados solvers que contienen algoritmos que permiten soluciones slidas del comportamiento fsico del sistema en un plazo razonable. Como resultado de estos factores, Dinmica de Fluidos Computacional es ahora una herramienta de diseo industrial, ayudando a reducir los plazos de diseo y mejorar los procesos de ingeniera en todo el mundo. CFD ofrece una relacin costo-efectiva y una alternativa precisa a la maqueta de pruebas, con variaciones en la simulacin que se resuelven con rapidez, ofrece ventajas evidentes.La matemtica usada por CFD, es un conjunto de ecuaciones que describen los procesos de impulso, el calor y la transferencia de masa, estas ecuaciones se conocen como las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones diferenciales parciales se obtuvieron a principios del siglo XIX y no han conocido solucin analtica general, pero pueden ser discretizadas y resolverse numricamente.2.10.- Metodologa de la SimulacinEl programa CFD puede utilizarse para determinar el rendimiento de un componente en fase de diseo, o para analizar las dificultades existentes con un determinado componente y proceder a realizar mejoras en el diseo. Para estos anlisis es necesario seguir una metodologa, el proceso de realizar una sola simulacin consta de cuatro pasos que se muestran en la figura 2.10.Paso 4Paso 3Paso 2Paso 1

Post-procesamientoProcesamiento SolverMalladoDefinicin Fsica Pre-ProcesadorGeometra/Mallado

Fig. 2.10: Esquema de pasos para una Simulacin.