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FUNDAMENTO DE TRANSPORTE DE
HIDROCARBURO
ING: LAUDENCIO BENAVIDES ANTELO

Sistemas de transporte de hidrocarburos
Los sistemas de transporte de hidrocarburos constituyen la estructura
básica para la distribución de energía del país, sea cual sea el medio de
transporte, son una parte medular de la cadena de valor, ya que sin la
continuidad entre sus procesos no hay generación de valor agregado.
Los ductos, son un medio de conducción práctico para abastecer a los
centros de almacenamiento y distribución; además, si se operan y
mantienen en forma eficiente no contaminan a la atmósfera ni modifican
la ecología; contribuyen en gran medida a descongestionar el transporte
terrestre, y garantizan el abastecimiento de combustibles, satisfaciendo
la demanda al mínimo costo.

Objetivos del transporte
Cuando los hidrocarburos fluyen del
yacimiento en fase gaseosa, líquida o mixta,
se presenta el problema de su transporte a
través de sistemas de recolección, baterías
de separación, sistemas de distribución y/o
embarque, etc. De aquí, el energético será
entregado para su transporte en la forma
tradicional; ya sea por auto-tanque o tubería
hacia proceso, en una refinería, complejo
petroquímico, o una terminal de distribución.

Figura 1. Esquema básico del sistema de
recolección de hidrocarburos.
La mezcla desde los pozos va
hacía una línea colectora y de aquí
a una batería de separación
donde se lleva a cabo un proceso
de separar el gas, el aceite y el
agua que por lo general vienen
juntos. En algunos casos
tratándose de gas no asociado,
podrá contener impurezas como
sulfhídrico o CO₂, dependiendo
del tipo de yacimiento, por lo que
deberá procesarse a través de
una planta endulzadora, o de una
planta extractora de gasolina
natural

Clasificación de ductos
Los ductos se clasifican de acuerdo
al material que transportan en:
• Gasoductos: Para el transporte de
gas natural.
• Oleoductos: Para el manejo de
petróleo crudo.
• Poliductos: Para la distribución de
productos destilados del petróleo.

Gasoductos.
Un gasoducto es una conducción que sirve para
transportar gases combustibles a gran escala.
Es muy importante su función en la actividad
económica actual. Los gasoductos están
construidos con tubería de acero, en ocasiones
de polietileno de alta densidad que
principalmente son usados para la distribución
urbana.

Oleoductos
Se denomina oleoducto a la tubería e instalaciones conexas utilizadas para el
transporte de petróleo crudo a grandes distancias. Los oleoductos se hacen de
tubos de acero, generalmente son de gran diámetro, en nuestro país contamos
con oleoductos desde 12 hasta 48 pulgadas de diámetro.
A lo largo de su recorrido es necesaria la instalación de estaciones de bombeo,
que proporcionan la energía necesaria para que el petróleo avance
continuamente.
Donde sea posible, se construyen sobre la superficie, pero en general, por
seguridad en áreas que sean más desarrolladas, urbanas o con flora sensible, se
entierran a una profundidad típica de 1 metro.

Poliductos
Los poliductos son redes de tuberías destinados al transporte de hidrocarburos
o productos terminados. A diferencia de los oleoductos convencionales, que
transportan sólo petróleo crudo, los poliductos transportan una gran variedad de
combustibles procesados en las refinerías. El transporte se realiza en paquetes
sucesivos denominados baches. Un poliducto puede contener cuatro o cinco
productos diferentes en distintos puntos de su recorrido, que son entregados en
las terminales de recepción o en estaciones intermedias ubicadas a lo largo de
la ruta.
Los destilados de petróleo, como gasolinas, turbosina, diesel, etc., se mueven a
través de poliductos que inician en las refinerías, en complejos petroquímicos o
terminales terrestres y marítimas, y abastecen para su comercialización a 41 de
las 84 terminales instaladas en territorio nacional.

Propiedades de los fluidos
Hidrocarburos
Con el término de hidrocarburos se denomina genéricamente a una gran
variedad de sustancias que tienen en común el hecho de que sus
moléculas están constituidas por átomos de carbono y de hidrogeno.
La naturaleza ha generado acumulaciones o yacimientos de
hidrocarburos, que además de una mezcla de hidrocarburos contienen
otras substancias como agua: con sales disueltas, gases como el ácido
sulfhídrico o el bióxido de carbono entre otros, y aun sólido en
suspensión.
A las condiciones atmosféricas ordinarias de presión y temperatura, la
mayoría de los hidrocarburos pesados adoptan el estado líquido y en él
se mantienen relativamente estables; otros sin embargo, los más ligeros,
se presentan en estado gaseosos.

Clasificación
Según su origen
Gas asociado: Es aquel que se extrae junto con el petróleo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos, como
etano, propano, butano y naftas.
Gas no asociado: Es el gas natural libre, que no está en contacto con el petróleo crudo del yacimiento.
Según su composición
Gas amargo: Es aquel que contiene cantidades apreciables de ácido sulfhídrico (𝐻2𝑆), dióxido de carbono (𝐶𝑂2) y
otros componentes ácidos (𝐶𝑂𝑆, 𝐶𝑆2 mercaptanos, etc.)
Gas dulce: Al gas libre de derivados del azufre, se obtiene generalmente al endulzar el gas amargo utilizando
solventes químicos o físicos, o absorbentes.
Gas húmedo: Es aquel del cual se puede obtener cantidades apreciables de hidrocarburos líquidos, 𝐶3 + de,
aproximadamente, 3,0 GPM (galones por 1.000 pies cúbicos en condiciones normales). No tiene ninguna relación
con el contenido de vapor de agua que pueda contener el gas.
Gas seco: Es un gas que prácticamente está formado por metano (𝐶1) y etano (𝐶2). Sin embargo, en sistemas de
compresión de gas, se habla de “gas húmedo” en ingles “wet gas”, al que contiene vapor de agua y “gas seco”
(ingles “dry gas”), al que no lo contiene.

Hidrocarburos líquidos.
Los hidrocarburos extraídos directamente de formaciones geológicas en
estado líquido se conocen comúnmente con el nombre de petróleo,
mientras que los que se encuentran en estado gaseoso se les conoce
como gas natural.
Petróleo.
Es un líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por
diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades
bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia
prima para la industria química.

La industria petrolera clasifica el
petróleo crudo según su lugar de origen
(p.e. "West Texas Intermediate" o
"Brent") y también relacionándolo con
su gravedad API (American Petroleum
Institute)("ligero", "medio", "pesado",
"extrapesado"); los refinadores también
lo clasifican como "dulce", que significa
que contiene relativamente poco azufre,
o "amargo", que contiene mayores
cantidades de azufre y, por lo tanto, se
necesitarán más operaciones de
refinamiento para cumplir las
especificaciones actuales de los
productos refinados.

Crudos de referencia.
• Brent Blend, compuesto de quince crudos procedentes de los campos del Mar
del Norte. La producción de crudo de Europa, África y Oriente Medio sigue la
tendencia marcada por los precios de este crudo.
• West Texas Intermediate (WTI) para el crudo estadounidense.
• Dubai se usa como referencia para la producción del crudo de la región Asia-Pacífico.
• Tapis (de Malasia), usado como referencia para el crudo ligero del Lejano Oriente.
• Minas (de Indonesia), usado como referencia para el crudo pesado del Lejano Oriente.
• Arabia Ligero de Arabia Saudita .
• Bonny Ligero de Nigeria.
• Fateh de Dubai.
• Istmo de México (no-OPEP) .
• Minas de Indonesia.
• Saharan Blend de Argelia.
• Tía Juana Ligero de Venezuela.

Clasificación del petróleo según su Gravedad API
Relacionándolo con su gravedad API el American Petroleum Institute clasifica
el petróleo en "liviano", "mediano", "pesado" y "extrapesado".
• Crudo liviano o ligero, es definido como el que tiene gravedades API mayores a
31,1 °API.
• Crudo medio o mediano es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1
°API.
• Crudo pesado es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3
°API.
• Crudo extrapesado es aquel que tiene gravedades API menores a 10 °API.
A estos crudos también se les denomina bitúmenes.

Características de los Hidrocarburos Líquidos
La mayor parte de los principios del comportamiento del agua a través de las
tuberías han sido utilizados y adecuados según las necesidades de solución en
problemas pertenecientes al flujo de petróleo crudo y sus derivados, sin
embargo, las necesidades de conducción en la industria petrolera son
diferentes a las de abastecimiento de agua.
Los principios están basados en la aplicación de las leyes naturales que
gobiernan el flujo de fluidos y las características de los efectos y propiedades
de los líquidos en movimiento tales como:
• Densidad relativa.- también denominada gravedad específica es una
comparación de la densidad de una sustancia con la densidad del agua:

•Peso especifico.- El peso específico de una sustancia se define como su
peso por unidad de volumen. Se calcula al dividir el peso de la sustancia
entre el volumen que ésta ocupa. En el sistema técnico, se mide en
kilopondios por metro cúbico (kp/m³). En el Sistema Internacional de
Unidades, en newton por metro cúbico (N/m³).
•Modulo de elasticidad volumétrico.- Para fines prácticos, los líquidos suelen
considerarse no compresibles, pero no así en los casos en que la intensidad
de presión o su cambio sea considerable, como es el caso de los
hidrocarburos.
En los hidrocarburos líquidos, la compresibilidad es manifestada en la
formación de vapores por incrementos de temperatura y reducción en la
presión.

•Presión de vapor.- Los líquidos se evaporan cuando la presión interna es mayor
que la del medio en contacto inmediato con su superficie. Cuando este medio
se encuentra confinado, las moléculas de vapor ejercen sobre él una presión
parcial denominada “presión de vapor”.
La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión,
para una temperatura dada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en
equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y
vapor presentes mientras existan ambas.
En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido
saturado y vapor saturado.

•Viscosidad.- Es la propiedad que tienen los fluidos para resistir cualquier
fuerza que tienda a producir su flujo, en otras palabras es la oposición 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 aproximación aceptable para ciertas aplicaciones.
La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como
gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable,
están más cerca de ser fluidos ideales.
•Viscosidad cinemática.- La viscosidad Cinemática puede ser definida
como el cociente de la viscosidad absoluta en centistokes, dividida por
la gravedad específica de un fluido, ambos a la misma temperatura. La
unidad de la viscosidad cinemática es el stoke o centistoke.

•Gravedad específica (GE).- es un tipo particular de densidad relativa definido
como el cociente entre la densidad de una sustancia dada, y la densidad del
agua (H2O). Una sustancia con una gravedad específica mayor a 1 es más
denso que el agua, mientras que si la GE es menor a 1 dicha sustancia será
más ligera que el agua.
El valor del denominador es la densidad de la referencia, es decir, la densidad
del agua ρH2O = 1000 kg/m3 (a 4 °C o 39.2 °F) en unidades del SI.

La gravedad específica es una magnitud adimensional y por lo tanto no
depende del sistema de unidades usado, siempre que las unidades sean
iguales en el numerador y en el denominador.
Grados API: Son una escala expandida para medir la gravedad específica de
los petrolíferos. La conversión entre la gravedad específica a 60/60°F (GE)
[ℓ] y grados API, puede ser realizada con la siguiente ecuación:
° API = (141.5 / GE) – 131.5

• Vaporización.- Es el cambio de estado de líquido a gaseoso. Hay dos
tipos de vaporización: la ebullición y la evaporación. La Ebullición es el
cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado
líquido al estado de vapor. Para que ello ocurra debe aumentar la
temperatura en toda la masa del líquido. A la temperatura durante la cual
se dice que un determinado líquido hierve se la llama punto de ebullición.
La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la
evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del
líquido.

• Presión.- Las moléculas de un líquido se encuentran en movimiento con
dirección arbitraria, cada una es afectada por la fuerza gravitacional y
tiende a desplazarse hacia el centro de la tierra. Cuando este movimiento
es impedido por un recipiente, la fuerza provoca que las moléculas se
empujen unas con otras en todas direcciones y contra la pared del
contenedor. Este empuje es llamado presión y en cualquier punto es
proporcional a la distancia vertical bajo la superficie del líquido.
Esta propiedad de los líquidos es de las más importantes a considerar en
la solución de problemas de flujo en tuberías; las ecuaciones
tradicionales que se han desarrollado, tienen como objetivo principal la
determinación de la caída de presión por unidad de longitud en el flujo
de líquidos a través de una línea de conducción.

FUNDAMENTO DE FLUJO DE FLUIDOS

NÚMERO DE REYNOLDS
Es importante conocer la estructura interna del régimen de un fluido en movimiento ya
que esto nos permite estudiarlo detalladamente definiéndolo en forma cuantitativa. Los
diferentes regímenes de flujo y la asignación de valores numéricos de cada uno fueron
reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds observo que el
tipo de fluido adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería depende la
velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del
fluido.
Así, el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades
físicas del fluido, y las características del medio en el que fluye, y está dado por:

Dónde:
Re=Número de Reynolds (adimensional)
D=Diámetro del ducto (ft)
v=Velocidad promedio del líquido (ft/seg2)
ρ=Densidad del líquido lb/ft3
μ=Viscosidad del líquido lb/ft.seg2
Además el número de Reynolds permite predecir el régimen laminar o régimen
turbulento de un fluido.

Régimen laminar
Es uno de los dos tipos principales de flujo en un fluido. Se llama laminar o corriente
laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando este es perfectamente ordenado,
estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entre
mezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos.
La pérdida de energía es proporcional a la velocidad media. El perfil de velocidades tiene
forma de una parábola, donde la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la
velocidad es igual a cero en la pared del tubo.
Se da en fluidos con velocidades bajas o viscosidades altas, cuando se cumple que el
número de Reynolds es inferior a 2300. Más allá de este número, será un flujo
turbulento.

Régimen Turbulento
Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en
forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de
las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por
ejemplo el agua en un canal de gran pendiente
Régimen Turbulento

Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala,
a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente
caótica. Se da en fluidos donde el número de Reynolds es mayor a 3100.

Ecuación de la continuidad
La ecuación de la continuidad no es más que la expresión de la ley de
conservación de la masa en el flujo de fluidos. Es decir que la masa que
pasa por la sección 1 de la tubería es igual a la masa que pasa por la
sección 2 de la tubería.
Q1=Q2
A1V1=A2V2

Ecuacion de Bernoulli
El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o trinomio
de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de
una línea de corriente.
Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra hidrodinámica y expresa que en un
fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un
conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo
de su recorrido.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
1. Cinética: Es la energía debida a la velocidad que posea el fluido
2. Potencial Gravitacional: Es la energía debido a la altitud que un fluido posea
3. Energía de flujo: Es la energía que un fluido contiene debido a la presión que
posee

Balance de Energia
La ecuación general de la energía se conoce también como una extensión de
la ecuación de Bernoulli, lo que posibilita resolver problemas en los que hay
pérdida y ganancia de energía.

Se muestran las energías agregadas, removidas y perdidas hA, hR y hL. Para un
sistema tal, la expresión del principio de conservación de la energía es:
E1+hA-hR-hL=E2
Los términos E1 y E2, denotan la energía que posee el fluido por unidad de peso en
las secciones 1 y 2 respectivamente.
hA=energia añadida o agregada al fluido por una bomba u otro dispositivo.
hR=energia retirada o removida del fluido mediante un dispositivo mecánico.
hL=perdidas de energia por efecto de la fricción.

Perdida de presion por friccion
Las pérdidas de presión por fricción en conductos circulares de diámetros
constantes han sido determinadas experimentalmente por varios investigadores.
Los resultados de esta experimentación, utilizando tuberías de diversos
materiales, constituyen la base de las fórmulas que actualmente se usan.
Ecuación de Darcy
Darcy, Weibach y otros en 1857 dedujeron experimentalmente la siguiente
ecuación, expresada en unidades consistentes:
*L

Una ecuación similar fue establecida posteriormente por Fanning, quien obtuvo
valores de f cuatro veces menores que los de Darcy. Esta diferencia se debe al
uso del radio hidráulico en lugar del diámetro de la tubería al formular su
correlación.
La ecuación de Darcy se usará generalmente, para calcular las pérdidas de
presión por fricción.
Ecuación de Fanning

Factor de fricción
El valor del factor de fricción (f) es función de la rugosidad de la tubería (ε) y el
número de Reynolds (NRE) esto es:

Rugosidad
La rugosidad de una tubería (ε) es una característica de su superficie, la cual
está constituida por pliegues o crestas unidad, formando una superficie
homogéneamente distribuida y depende del tipo del material que se emplee en su
construcción.

Actualmente, se admite que la rugosidad puede expresarse por la altura media de
dichos pliegues, al considerar las características del flujo.
Los valores más comunes empleado en la industria son:
Para calcular el valor de f es necesario determinar el régimen de flujo. En conductos,
los fluido se mueven de acuerdo a cualquiera de los siguientes regímenes de flujo:
laminar, turbulento

Para flujo laminar de una sola fase, el factor de fricción depende exclusivamente
del número de Reynolds y está dado por:
Para flujo turbulento, el factor de fricción está dado por la ecuación de Colebrook
y White

Para calcular f en este caso anterior se requiere de un proceso iterativo. A
continuacion tenemos otra ecuacion para calcular f para flujo turbulento:

Tabla de equivalencia
1poise= 0,1 kg/m*s
1cp= 0,01 poise
cp/1000= Pa*s
1 poise= 100cp
1Bbl= 42 gal= 159 Lt=0,1589 m3
1m=3,281 pies
1pies=12plg
1gr/cc=1000kg/m3=62,4 Lb/pies3= 8,33 Lb/gal
1atm=14,7 psi=1,033 Kg/cm2

1) Calcular la caida presion por friccion en una tubería de 3000 pies de largo,
3.937 pulgadas de diámetro interno y con una rugosidad de 0.0006
pulgadas, donde fluye aceite de densidad relativa de 0.9 y viscosidad de
46 cp, si el gasto es de
a) 2560 bl/dia

2) En una tubería se transporta petróleo de densidad relativa de 0.856
pasa de 12cm de diámetro en la sección A a 40cm en la sección B. la
sección A esta 3.2m por debajo de B y las presiones son respectivas de
0.930kg/cm2 y 0.615kg/cm2. Si el caudal es de 150Lt/seg. ¿Determinar la
perdida de carga(mts) por friccion en la dirección de flujo?

3) A través de una tubería de 20cm de diámetro esta fluyendo aceite de
densidad relativa de 0.850 a una presión de 1.05kg/cm2. Si la energía total
respecto de un plano de referencia situado 2.40m por debajo del eje de la
tubería es de 17.6kg-m/kg. ¿Determinar el caudal del aceite en m3/seg?

4)A través de una tubería de 20cm de diámetro circula aire a una presión
manométrica de 2.10 kg/cm2 y una temperatura de 40ºC, si la presión
barométrica es de 1.030 kg/cm2 y la velocidad de 3.20 m/seg. ¿Cuál es el
caudal en peso que esta fluyendo en kg/seg? Donde Raire=29.3 m/ºK.

5) Un conducto por el que circula nitrógeno a una velocidad de 4.50m/seg
reduce su sección recta de 0.07m2 a 0.02m2 donde la primera sección
tiene una presión absoluta de 3.13kg/cm2 y una temperatura de 294ºK y
para la siguiente sección la presión absoluta es de 2.43kg/cm2 y la
temperatura es de 305ºK. ¿Calcular la velocidad en la segunda sección?

6) Una bomba instalada tiene una potencia real de 700CV con un rendimiento del
80% a un caudal de 20000 BPD, se estima que las pérdidas totales por fricción
equivale a 0.6 km para una tubería de 8 pulg de diámetro. El fluido a bombear se
encuentra a una presión atmosférica y 725msnm además el fluido tiene una
densidad de 0.89gr/cm3 y una viscosidad de 0.12poises, a ¿Qué distancia se
deberá encontrar la próxima estación de bombeo? Siendo que se necesita
mantener una presión de 100 Psi de llegada y hasta ¿Qué altura se podrá
bombear con este bombeo? Asuma un factor de fricción de 0.028.

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