Hola estimados lectores, en la sección anterior traté de algunos temas que se deben tener claro en el diseño de ingeniería básica, particularmente la Ingeniería de Proceso, tales como la presión de vapor ó presión de saturación.
http://www.proptermodinamicas.blogspot.com/ (para ver artículo anterior)
http://procesostermodinamicosaplicacion.blogspot.com/ (para ver primer artículo)
En esta ocasión, trataré de ejemplificar de por que es importante tener claro estos conceptos; como ya es casi costumbre recurriré a alguno de los proyectos de diseño de ingeniería que he desarrollado para la industria del petróleo y gas.
PRIMERA APLICACIÓN (CAVITACIÒN EN EQUIPOS DE BOMBEO)
Problemática:
El suministro de aceite lubricante para equipos de turbomaquinaria de una planta se realizaba a través de tambores de 200 litros e isotanques de 1000 litros, los cuales se apilaban ocasionando un problema de acceso y limitando áreas. Por otro lado, el abastecimiento de este aceite lubricante en estas condiciones requería de una serie de movimientos importantes que e implicaban serios riesgos de accidentes para el personal de operación y mantenimiento, existiendo además la posibilidad de posibles derrames de aceite en el manejo y trasiego manual de aceite lubricante.
Solución:
Se implementó un sistema de almacenamiento y distribución automatizada de aceite lubricante para la turbomaquinaria de dicha planta y de esta manera reducir los riesgos al personal, optimizar espacios durante el manejo de los tambores de aceite, descartando de esta manera la posibilidad de derrames de aceite provocando un impacto ambiental negativo.
Desarrollo:
Este sistema de almacenamiento consta principalmente de los siguientes equipos:
a) Un tanque de almacenamiento que se ubicó en el primer nivel de la planta.
b) Dos Bombas (una en operación y una de relevo).
c) Un sistema de filtración que se ubicó a la descarga de las bombas.
A continuación se muestra de forma esquemática la instalación de dicho sistema de almacenamiento y distribución.
Fig. 1: Diagrama esquemático del sistema de almacenamiento y distribución de aceite lubricante (Turbina 11).I. Síntesis del proceso:
Las bombas de distribución de aceite lubricante son de doble diafragma. El sistema de bombeo cuenta con 2 bombas (una en servicio y la otra de respaldo), BA-101A y BA-101R, respectivamente, para distribuir el aceite hasta una altura de aproximadamente 20 metros. El arreglo de tuberías en la succión y la descarga de las bombas permiten la opción de su uso normal para distribución de aceite o de usarlas para el trasiego de aceite lubricante hacia el tanque de almacenamiento desde los tambos de 200 lts. ó 1000 lts.
El suministro de aceite lubricante que alimenta a la turbo-maquinaria se hará a través de cabezales de distribución, antes de los cuales el aceite pasará por un filtro tipo canasta dúplex FL-1001 para eliminar las impurezas que pudiera contener.
II. Conceptos generales
CAVITACIÓN
Se conoce con el nombre de cavitación a fenómeno que se produce cuando en un punto de una corriente líquida, la presión se hace inferior a la presión de vapor correspondiente a la temperatura que se encuentra el líquido, el descenso de la presión, origina que el liquido hierva a una temperatura muy inferior a los 100ºc o sea que comience a vaporizar. En algunos casos dependiendo de las condiciones de circulación se formará un émbolo de vapor, que llegará en ocasiones a obstruir por completo la circulación: en otros, las cavidades serán pequeñas, ocupadas por burbujas de vapor, que arrastrará la corriente y que al llegar a lugares que exista una presión mayor, colapsarán, acompañando este colapso con esfuerzos de compresión súbitos de gran intensidad.
NPSH ( Carga Neta Positiva de Succión)
Por definición el NPSH es la altura total de carga a la entrada de la bomba, medida con relación al plano de referencias, aumentada de la altura correspondiente a la presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del líquido.
Hay que tener presente dos conceptos:
NPSH (Disponible)
Presión absoluta total en el oído del impulsor como resultado final de la aspiración especifica de las condiciones de la instalación. Es función de la instalación e independiente del tipo de bomba.
El conocimiento del NPSHD por el instalador es fundamental para la elección adecuada de la bomba y evitar así posibles fracasos.
Presión absoluta mínima en el oído del impulsor que garantiza un flujo sano en el interior de la bomba. Es un dato básico característico de cada tipo de bomba, variable según el modelo y tamaño y condiciones de servicio, por tanto es un dato que facilitan los fabricantes de los equipos de bombeo.
Para un funcionamiento correcto de una instalación se verificará siempre que:
NPSHD ≥ NPSHR
En esta ocasión solamente mostraré la metodología utilizada para el cálculo la carga positiva neta de succión disponible (NPSHD), ya que el dimensionamiento total de equipos de bombeo será tratado en otro capitulo.
III. Propiedades del fluido:
Las principales propiedades de los aceites lubricantes (turbina 11) bombeados se muestran a continuación:
FLUIDO
IV. Condiciones de operación
V. Criterios de diseño.
El primer paso en nuestra metodología, consiste en establecer los criterios de diseño.
Los criterios de diseño utilizados para este sistema, están basados en normas nacionales e internacionales de diseño e instalación de sistemas de tuberías, los cuales mostraré a continuación:
La caida de presión por cada 100 ft de tubería (succión de bombas para líquidos subenfriados)
∆P100= 0.05 – 0.25 PSI (lb/in2)
La velocidad recomendada (succión de bombas para líquidos subenfriados):
V = 1 – 5 ft/seg.
Fig. 2. Diagrama esquemático de las variables en un sistema típico de bombeo.
VI. Formulas
1.- Diámetro de succión: Este diámetro dará un aproximado del requerido mas no es el definitivo ya que se deberá verificar que cumpla con los criterios de caída de presión
2- Número de Reynolds
3.- Factor de fricción: Por esta ocasión utilizaremos la siguiente ecuación (Fanning), sin embargo esta formula tiene sus limitaciones que serán tratados en el capitulo de dimensionamiento de líneas a una fase.
4- Caída de presión por cada 100 ft de tuberías 
5.- Longitud equivalente (LE)
En la siguiente tabla se dan las longitudes equivalentes de tubo, para diversos accesorios:
Fig. 3. Tabla de longitud equivalente de válvulas y accesorios en pies (API-RP-14E).
Click en este enlace para descargar fig.3 http://rapidshare.com/files/208835031/TABLA.jpg.html
6.- Caída de presión por fricción:
7.- Carga neta de succión disponible (NPSHD):
Donde:
PS = Pres।abs e/recipiente de succión (como nuestro tambor está abierto a la atmósfera será igual a 14।7 PSIA =33।93 ft de H2O)
hs = Altura nivel liq. (Respecto al eje de la bomba) = 1m + altura del liquido = 1.90 m = 6.23 ft
∆PF = Caída de presión por fricción (ft) -será calculada
∆P100 = Caída de presión por cada 100 ft- (PSIG)
HV = Presión de vapor del líquido =0.0155 Kg/cm² = 0.22 PSIA = 0.508 ft de H2O
Re = Número de Reynolds (adimensional)
ρ = Densidad del líquido (lb/ft3)
Q = Flujo volumétrico (GPM)
Di = Diámetro interno (in)
μ = Viscosidad del fluido (cp)
V = Velocidad del fluido (ft/s)
Para nuestro caso en particular la altura de succión como se observa en la figura 1, el tanque de aceite queda por encima del eje de la bomba, por lo que nuestra hs será positiva (+).
VII. Cálculos:
1.-
Por lo que utilizaremos el diámetro inmediato superior:Dn = 2 in
Di = 1.939
2.-
3.-
4.- 
Como podemos verificar nuestro diámetro seleccionado (2 in), de acuerdo al flujo requerido (20 GPM), no cumple con el criterio de caída de presión por cada 100 ft, aunque en velocidad si.
En este punto hay que ponderar los criterios de Velocidad vs Caída de presión, por lo general en la succión de bombas el criterio de mayor importancia a cumplir es el de ∆P100, por lo que procederemos a seleccionar un diámetro mayor.
Dn = 3 in
Di = 3.068
Recalculando tenemos:
Re = 335.493
F = 0.1058
∆P100 = 0.103 PSI
Como pueden observar con un diámetro de 3 in de diámetro, tenemos que si cumplimos con el criterio de caída de presión establecido en el punto IV.
5.- Los accesorios que incluyó la succión de estas bombas se muestran en la siguiente tabla:
6.- 
7.- 
De acuerdo al NPSHD calculado se deberá verificar el NPSHR proporcionado por el fabricante, si el NPSHR es mayor que el disponible se deberá aumentar este último, de lo contrario se formará el fenómeno de cavitación en la bomba.
IX. Aplicación de las propiedades termodinámicas:
La aplicación en este ejemplo consiste en la presión de vapor ó presión de saturación, ya que si no se le diera la importancia debida, y no se tomara en cuenta, podríamos caer en el error de que la presión de succión sea menor que la presión de vapor, y por lo tanto se formaría la cavitación.
SEGUNDA APLICACIÓN (VÁLVULAS DE CONTROL)
Las válvulas de control están expuestas a todo tipo de influencias en procesos de control. Esto obliga a la existencia de gran variedad de series y diseños dependiendo de cual sea el problema específico a solucionar en cada aplicación en particular. Así pues, si a esto añadimos la variación que pueden experimentar los parámetros tanto físicos como químicos del fluido, o todos aquellos parámetros que pueden afectar al proceso por sí mismo, nos obliga a utilizar una técnica especial de cálculo cuando se realiza la elección de la válvula de control.
El fenómeno de la cavitación aparece cuando a un líquido que fluye a través de una tubería se le estrangula el paso mediante una válvula de control, éste aumenta su velocidad de manera considerable (principio de conservación de la masa). Este aumento de velocidad conlleva una pérdida de presión (principio de conservación de la energía). Si esta pérdida de presión baja por debajo de la presión de saturación del fluido, parte de éste produce burbujas de vapor que buscan zonas de mayor presión donde colapsan bruscamente. Estas zonas suelen ser la propia válvula de control e inmediatamente después de ella, puesto que la presión se recupera al disminuir la velocidad a su valor inicial.
Fig. 4. Gráfica de presión y velocidad con respecto a la presión de saturación.En este proceso, las burbujas de vapor forman una zona de cavitación estática la cual varía de longitud en función de la presión diferencial. Las implosiones de burbujas de vapor producen lo que se conoce como micro-jets (pequeñas porciones de fluido propulsadas a gran velocidad y de vida muy corta, máximo varios milisegundos), éstos cuando golpean un material sólido, por ejemplo el cuerpo de una válvula, causan daños y desgaste. Incluso pueden eventualmente llegar "a comerse" el cuerpo de la válvula, especialmente en válvulas de control que redireccionan el fluido. No obstante, aunque se desarrollara una válvula de control de ingenioso diseño, no sería posible por razones de procedimiento, asegurar que estaría libre de cavitación para todas sus condiciones de trabajo (por ejemplo Xf >Z)
Fig।5। Zonas de cavitación en una válvula de control।VALOR Z
Si el valor Xf es mayor que el valor Z, la válvula cavitará, por lo tanto como 0,802 > 0,6 en nuestro caso existirá CAVITACION, y cuanto mayor sea la diferencia entre el valor Xf y el valor Z, mayor cantidad de cavitación obtendremos
Una vez desarrollados el ejemplo anterior, vemos lo importante que es el conocimiento del valor Z de una válvula de control para poder determinar en un proceso si la válvula de control cavitará y en que magnitud.
Hasta aquí hemos llegado con la aplicación de las propiedades termodinámicas, espero que haya sido de su agrado y que les de un enfoque mas amplio de dichas propiedades dentro de la industria del petróleo y gas. Como pueden darse cuenta el tener claro estos conocimientos nos permite realizar un diseño de manera efectiva y segura.
Les espero en mi próxima publicación, en donde trataré temas interesantes de Ingeniería Básica y de detalle (Proceso, Dieseño de Tuberías, Instrumentación y Control de Proceso, Seguridad Industrial), con un enfoque hacia la industria con mas auge en México, "la industria petrolera".
Hasta la próxima.
