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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION Propósitos del Módulo ____________________________________________

1

SECCION 1 - MATERIA Y EFECTOS DE LA PRESION Introducción ____________________________________________________ Atomos y Moléculas ______________________________________________ Estados de la Materia ______________________________________________ Efectos de la Presión ______________________________________________ Repaso 1 ________________________________________________________

3 4 5 6 8

SECCION 2 - FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO DE LA LINEA Introducción ____________________________________________________ Masa y Peso______________________________________________________ Viscosidad ______________________________________________________ Densidad ________________________________________________________ Gravedad Específica ______________________________________________ Repaso 2 ________________________________________________________

11 12 13 14 17 18

SECCION 3 - PUNTO DE FLUIDEZ. COMPRESIBILIDAD, PRESION DE VAPOR Y SOLUBILIDAD Introducción ____________________________________________________ Punto de Fluidez __________________________________________________ Compresibilidad __________________________________________________ Presión de Vapor __________________________________________________ Solubilidad ______________________________________________________ Repaso 3 ________________________________________________________

21 22 22 23 23 24

SECCION 4 - LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y LA PRESION EN LOS LIQUIDOS Introducción ____________________________________________________ Expansión Térmica ________________________________________________ Volatilidad ______________________________________________________ Punto de Inflamación ______________________________________________ Características Especiales de los Gases Licuados de Petróleo (GLP) ________ Repaso 4 ________________________________________________________

27 28 29 29 29 30

RESUMEN ______________________________________________________ 32 GLOSARIO ____________________________________________________ 34 RESPUESTAS ____________________________________________________ 36

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

El conocimiento de las características y propiedades de los líquidos y gases es importante para el trabajo de un operador. Cada líquido dentro de la tubería tiene sus propias características y estas afectan la velocidad y la presión de flujo del producto. Cuando diferentes tipos de líquido se mueven a través de la tubería, las tasas de flujo y la presión cambian. Con el objeto de mantener la línea de estabilidad y evitar accidentes el operador debe anticipar el cambio en la velocidad del fluído y en la presión y ajustar la presión dentro de la tubería.

INTRODUCCION

Este módulo está dividido en cuatro secciones. La primera sección resume las propiedades básicas de la materia, tales como átomos y moléculas. Las secciones siguientes estudian las propiedades de los líquidos que influyen en el proceso operacional de toma de decisiones.

Este módulo presenta información en los siguientes aspectos: • Explica las propiedades de los sólidos, líquidos y gases. • Explica los efectos de la presión sobre los líquidos. • Explica como las siguientes propiedades de los líquidos afectan la operación de la tubería. - masa y peso - densidad - viscosidad - fluidez - gravedad específica - punto de fluidez o congelación - compresibilidad - presión de vapor - solubilidad - expansión térmica - volatilidad, y - punto de inflamación.

Ninguno.

PROPOSITOS DEL MODULO

PREREQUISITES

1

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

SECCION 1

MATERIA Y LOS EFECTOS DE LA PRESION

Para entender las propiedades de los líquidos, se requiere de un entendimiento básico de la materia y de las leyes que la rigen. Por eso, esta sección estudia y describe a los átomos, que constituyen el todo de la materia, y decribe el comportamiento de los átomos. Además, esta sección provee un análisis de la fuerza de trabajo en tubería a presión.

Al final de esta sección usted estará en capacidad de completar los objetivos siguientes: • Definir el término materia. • Diferenciar entre átomos y moléculas. • Reconocer las características que definen cada uno de los estados de la materia. • Reconocer el efecto de la presión en el punto de ebullición de un líquido.

INTRODUCCION

OBJETIVOS

3

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

ATOMOS Y MOLECULAS

El término materia se refiere a cualquier tipo de substancia. Toda materia está hecha de átomos. Piense en el átomo como en los bloques básicos de construcción del universo. Los átomos estan hechos de pequeñas partículas llamadas electrones, protones y neutrones. Cada electrón en un átomo tiene una carga negativa, mientras que cada protón tiene una carga positiva. La tercera partícula, el neutrón, no posee carga. El número de arreglos de cargas negativas y positivas en cada átomo pueden causar la unión de dos o más átomos o encadenarse para formar moléculas. Las moléculas hechas de las diferentes combinaciones de átomos forman la variedad de substancias encontradas en la tierra. La moléculas de hidrocarburos comunes están hechas con átomos de hidrógeno y carbón unidos en una forma específica. Por ejemplo, el etano es diferente del agua porque las moléculas de etano estan hechas de diferentes combinaciones de átomos. Figura 1 Agua Molécula (H20) Agua (H20) es una molécula muy común consistente en dos átomos de hidrógeno unidos con un átomo simple de oxígeno.

Hidr geno

Hidr geno

Hidr geno

Hidr geno

Hidr geno

4

Ox geno

Hidr geno

Carbono

Carbono

Hidr geno

Hidr geno

Figura 2 Molécula de Etano Etano (C2H6) es una molécula común de hidrocarburo consistente en dos átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno.

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

Las substancias generalmente consisten de moléculas. Algunas substancias están hechas de un tipo singular de átomo, pero aún en estas substancias los átomos estan siempre unidos unos a otros como moléculas. Por ejemplo, el oxígeno gaseoso es oxígeno puro, pero los átomos de oxígeno están unidos en pares (O2). Simplemente como átomos están unidos por atracción eléctrica para formar moléculas, y estas estan unidas en grupos por atracción eléctrica entre moléculas.

ESTADOS DE LA MATERIA

Algunas veces el enlace entre moléculads se puede perder. Por ejemplo, a temperatura ambiente, el agua (H2O) es un líquido. Sin embargo si el agua se calienta, la energía del calor hacen que las moléculas se muevan más rapidamente. Esto hace que se estrechen los lazos entre las moléculas de agua. Si se calienta el agua a 212°F (100°C) a la presion atmosférica, las moléculas absoben suficiente energía para separarse completamente unas de otras. Las moléculas de agua quedan libres para esparcirse en el ambiente. El estado del agua es ahora gaseoso. Este proceso es conocido como ebullición. Las moléculas de agua no han cambiado su estructura atómica. Agua y vapor de agua están hechos ambos de la misma molécula de H2O. la única diferencia entre el agua y el vapor de agua es que las moléculas de H2O estan más separadas. Si un líquido es enfriado las moléculas pierden energía. Al ir perdiendo energía las moléculas van perdiendo la capacidad de moverse entre sus lazos así que son obligadas a juntarse. Cuando un líquido se enfría hasta el punto de congelación, las moléculas están tan unidas que la substancia se vuelve sólida. El agua es una excepción a esta regla, en la que a 39°F (4°C) y a la presión atmosférica, el líquido H2O se expande mientras se enfría. Este se congela a 32°F (0°C), y las moléculas de hielo continuan alejándose mientras el hielo se enfría. Sin embargo el agua sólida (hielo) es menos densa que la forma líquida. Como un resultado de esto, el hielo flota en el agua. El agua sólida está hecha de las mismas moléculas de H2O que el agua líquida y el vapor de agua. Existen tres estados de la materia: • Sólido. • Líquido. • Gaseoso. Los sólidos tienen definda forma y volumen. Algunos ejemplos de sólidos son bloques de madera, cubos de hielo y barras de oro. Los líquidos tienen un volumen definido pero no tienen forma por si solos. Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene. Algunos ejemplos de líquidos son agua, miel e hidrocarburo.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Los gases no tienen ni forma, ni volumen definido, pero asumen la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Algunos ejemplos de gases son propano, oxígeno, helio y sulfuro de hidrógeno.

S lido

L quido

Gaseoso

Figura 3 Los Tres Estados de la Materia Las diferencias entre los tres estados de la materia son fáciles de entender si visualizamos las moléculas como “bolas de rodamientos”, en un sólido están empacadas en forma compacta, en un líquido ellas estan aún en contacto pero se mueven alrededor libremente, en un gas las moléculas están apartadas unas de otras y se pueden mover libremente a través del espacio.

EFECTOS DE LA PRESION

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La presión es la cantidad de fuerza ejercida en la unidad de área de una substancia. Esta afecta la cantidad de energía requerida para solidificar o vaporizar la materia. Si la presión ejercida en una substancia se incrementa, las moléculas de la substancia son presionadas para unirse. Ellas requieren más energía para tensionar o romper la atracción que las mantiene unidas. Así mismo si la presión en una substancia decrece, las moléculas no están presionadas a estar tan unidas. Entonces las moléculas requieren menos energía para unirse o romper la atracción que las mantiene juntas. Por ejemplo, el agua hierve a 212°F (100°C). Sin embargo, este punto de ebullición supone que el agua está al nivel del mar, que está bajo una presión atmosférica específica (14.7 psi. o una atmósfera). En la cima de una montaña alta, donde la presión atmosférica es más baja, las moléculas de agua estan a una presión menor que la de la atmósfera. Estas no necesitan mucha energía para romper los lazos que las unen. El punto de ebullición en la cima de una montaña alta, puede estar alrededor de los 208°F (98°C).

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

La distancia entre moléculas en gases es tan grande que las moléculas estan libres de los lazos entre ellas. Las moléculas se esparcen aleatoriamente hasta alcanzar las paredes de su contenedor, así sea los lados de un recipiente o las paredes de una habitación. Los gases se expanden continuamente hasta llenar su contenedor. La gasolina, el combustible para jet y el aceite diesel son líquidos a presiones y temperaturas normales. Algunos productos refinados, como el butano y el propano, se vaporizan a las temperaturas normales de la tubería, exepto mantenidos bajo presión. Los gases licuados del petroleo (GLP), se vaporizan a la temperatura típica de la tubería si la presión de la misma es menor de al rededor de 90 psi. Si el GLP no se mantiene a esta presión mínima constante, esta cambiara al estado gaseoso.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 1

1. El término materia se refiere a ______________.

a) b) c) d)

un sólido un líquido un gas cualquier clase de substancia

2. Una molécula es _________________.

a) b) c) d)

un protón, un neutrón y un electrón un gas, un líquido o un sólido un grupo de átomos unidos por lazos el punto de ebullición del agua

3. Los tres estados de la materia son ______________.

a) b) c) d)

ligero, mediano, pesado átomo, molécula, compuesto sólido, líquido, gas lento, mediano, rápido

4. Una substancia que tiene volumen definido en un recipiente abierto, pero que no tiene forma por si sola es llamada un ______________.

a) b) c) d)

solido líquido gas molécula

5. Si la presión es aplicada a un líquido, el punto de ebullición del líquido ________________.

a) b) c) d)

8

se mantiene constante se incrementa decrece fluctúa

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

6. Si la presión en una tubería cae a 29 psi, el GLP en la tubería puede ____________.

a) b) c) d)

vaporizarse licuarse parar de fluir explotar

7. Un cambio en el estado de la materia está siempre asociado con un cambio en _________________.

a) b) c) d)

el número de moléculas el tamaño de las moléculas energía la estructura molecular

Las respuestas al final del módulo.

9

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

SECCION 2

FACTORES QUE AFECTAN EL DESPEMPEÑO DE LA LINEA Las propiedades físicas de los líquidos se combinan para definir las características líquidas. El tipo de líquidos transportado en un sistema de tubería tiene mayor impacto en el diseñodel sistema y condiciones de operación. Los aceites pesados como el (combustible diesel) no fluyen tan facilmente como los productos más ligeros tales como gasolina o GLP. El combustible Diesel requiere mayor presión y más bombeo para sobrepasar las pérdidas por fricción en la tubería. Los diseñadores deben que considerar el comportamiento del líquido dentro de la tubería cuando hacen la elección del diámetro de la tubería, del espesor de las paredes de la tubería, espaciado de la estación, equipo de bombeo, requerimiento de caballos de fuerza, presiones de operación y técnicas de operación. Las propiedades físicas del líquido afectan sus características de fluidez. Las características de fluidez deben entonces ser tomadas en consideración cuando el tamaño óptimo del tubo, rutas y presiones de trabajo de la tubería son determinadas.

Al finalizar esta sección usted será capaz de completar los siguientes objetivos: • Definir los términos masa y peso. • Definir el término viscosidad. • Explicar como la viscosidad afecta el movimiento de los líquidos dentro de la tubería. • Definir el término fluidez. • Definir el término densidad. • Explicar como la densidad afecta el movimiento de los líquidos dentro de la tubería. • Definir el término gravedad específica.

INTRODUCCION

OBJETIVOS

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MASA Y PESO

Masa y peso no son la misma cosa. La masa está definida como la cantidad de materia que contiene un objeto. la unidad estándar de masa es la libra (lbm) Kilogramos (Kg). Peso es la medida de la fuerza gravitacional ejercida sobre un objeto. El peso es medido con la unidad llamada libra-fuerza (lbf), Newton (N), que describe la masa de un objeto multiplicada por la aceleración debida a la gravedad: Fuerza gravitacional = masa [lbm] × aceleración de la gravedad [ft/s2] = masa [kg] × aceleración de la gravedad [m/s2] W=m• [lbm] • [ft] [s2]

•

[g] [gc]

1 = lbf gc

[kg • m] = [N] [s2] Donde m= = g= =

lbm (masa) kg (masa) aceleración debida a la gravedad (32.174 ft/s2) aceleración debida a la gravedad (9.8 m/s2)

32.174 lbm • ft/s2 lbf Como conveniencia, la masa de un objeto en la superficie de la tierra se ha igualado al peso del objeto, así que la medida de la masa de un objeto y la medida del peso del objeto con frecuencia se usan indiferentemente. Cuando nos movemos fuera de la superficie de la tierra, la diferencia entre masa y peso es más notoria. Considere a una persona cuya masa es de 119 lbm (54 Kg) en la superficie de la tierra. Si esa persona va a la luna, donde la fuerza gravitacional es 1/6 de la gravedad de la tierra, su masa no cambiará. Una persona con una masa de 119 lbm (54 kg) pesa 119lbf (529.5 N) en la tierra, donde la aceleración debida a la gravedad es 32.174 ft/s2 (9.8 m/s2) (al nivel del mar y a 45° de latitud): gc = Factor de conversión

Fuerza gravitacional (peso) = masa × aceleración = 119 lbm × (32.174 ft/s2) ×

12

= 54 kg × (9.8 m/s2) = 119 lbf = 529.2 N

(

)

1 lbf 32.174 lbm • ft/s2

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

En la luna donde la aceleración de la gravedad es de 5.25 ft/s2 (1.6 m/s2), la misma persona con una masa de 119 lbm (54 kg), pesa 19.4 lbf (86.4 N): Fuerza gravitacional (Peso) = masa x aceleración = 119 lbm x

(

(5.25 ft/s2) 32.174 lbm • ft/s2

)

= 54 kg × 1.6 m/s2 = 19.4 lbf = 86.4 N En el básico diario, la densidad y la viscosidad son los factores más importantes que afectan la operación de la línea. Ellos cuentan para la mayoeía de los cambios de presión y, consecuentemente para todas las acciones del operador de oleoductos.

La viscosidad está definida como la propiedad de un líquido la cual describe su resistencia a fluir, o como la medida de la fricción interna del líquido. Un líquido con alta viscosidad no fluíra o pasará tan facilmente como un líquido con baja viscosidad. La miel por ejemplo, tiene mucha mayor viscosidad que el agua. Por que la miel tiene una viscosidad mayor que la del agua, la miel tiende a cambiar de forma menos facilmente y a fluír mucho más lentamente que el agua.

VISCOSIDAD

La viscosidad y la densidad no están relacionadas. Dos líquidos pueden tener la misma densidad pero una medida muy diferente de viscosidad. Por ejemplo, el mercurio es bastante denso pero tiene una baja viscosidad. La energía necesaria para sobrellevar la fricción de la tubería es uno de los costos más significativos en la operación de una tubería. Cuando un líquido se mueve através de una tubería existe fricción entre el líquido en contacto con las paredes del tubo y la misma pared del tubo. Esta fricción disminuye el líquido a lo largo de las paredes del tubo. Entre mayor sea la viscosidad del líquido habrá mayor fricción contra las paredes del tubo.

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Presi n

Fluidez es el opuesto de la viscosidad. Mientras la viscosidad es la propiedad de un líquido que describe su resistencia a fluír, fluidez es la capacidad de un líquido para fluír. Un líquido con alta viscosidad se puede decir tambien que tiene una baja fluídez; al contrario un líquido con baja viscosidad se puede decir tambien que tiene una alta fluidez.

Figura 4 Pérdida de Presión Debida a la Viscosidad

Estaci n A

Estaci n B Flujo

La figura 4 muestra la línea de presión entre dos estaciones de bombeo, A y B. La presión inicial en A es determinada por la presión de succión requerida en B y depende de la densidad del líquido. La presión se pierde entre las dos estaciones para sobreponerse a la resistencia de fricción a fluír.

DENSIDAD

La densidad está definida como la masa de una substancia con respecto a su volumen, y se designa por el símbolo griego ρ (ro). Para calcular la densidad use la siguiente ecuación. (lbm) masa (M) x Volumen (V) (ft3) (kg) masa (M) x = Volumen (V) (m3)

Densidad (p) =

El agua a 39.2°F (4°C), por ejemplo, tiene una densidad de 62.43 lbm/ft3 (1000 kg/m3). Esto significa que a 39.2°F (4°C), un volumen de 1 ft3 (1 m3) de agua tiene una masa de 62.43 lbm (1000 kg): (lbm) masa (M) x Volumen (V) (ft3) (kg) masa (M) x = Volumen (V) (m3)

ρ=

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

62.43 lbm 1(ft3) 1000 kg ρ= 1m3 ρ = 62.43 lbm/ft3 ρ = 1000 kg/m3 ρ=

Suponga que un tanque contiene 141 pies cúbicos (4m3) de combustible diesel con una masa de 6076 lbm (2756 kg). La densidad es: (lbm) masa x ρ= Volumen (ft3) (kg) masa x = Volumen (m3) ρ=

6076 lbm 141 ft3

=

2756 kg 4 m3

ρ = 43.1 lbm/ft3 ρ = 689 kg/m3 Cuando las personas dicen que el plomo es más “pesado” que el agua, o hablan acerca de combustibles “livianos ” y “pesados”, se refieren a la densidad de las substancias. Para ilustrar la densidad, imagine tener dos contenedores con un volumen igual. El primer contenedor está lleno de agua y el segundo está lleno de plomo. El plomo tiene una mayor densidad que el agua, lo que significa que el contenedor con plomo tiene mayor masa que el contenedor del agua.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Agua

Plomo

Figura 5 Volumenes Iguales de Plomo y de Agua Sinembargo el plomo y el agua tienen el mismo volumen, el plomo posee mayor masa que el agua.

El agua tiene menor densidad que el plomo. Un mayor volumen de agua se requiere para obtener la misma masa.

Plomo

Agua

Figura 6 Masas Iguales de Agua y Plomo Por que el agua es menos densa que el plomo, se requiere un mayor volumen de este material para igualar la masa del menor volumen de plomo.

La fuerza o energía necesaria para iniciar y mantener el movimiento del líquido, está directamente relacionada con la masa y la densidad del líquido. Por ejemplo, el combustible diesel requiere mayor energía que la gasolina de menor densidad para ser bombeado.

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

low

P

high

Descarga Succi n

Diesel low

P

high

Descarga Succi n

gasolina

Figura 7 Bombeando el Combustible Diesel Se requiere mayor energía para el bombeo de combustible diesel debido a que tiene mayor densidad que la gasolina, la bomba trabajará más fuerte produciendo mayor presión y requiriendo más kilovatios de poder.

Los términos densidad y gravedad específica son usualmente intercambiados, pero en realidad no tienen el mismo significado. Densidad es masa por unidad de volumen. Gravedad específica (GE) compara la densidad de cualquier líquido con la densidad del agua, a la misma temperatura de referencia 60°F (15°C). Los operadores deberán entender la relación existente entre densidad y gravedad específica, por que generalmente será necesario convertir una en otra.

GRAVEDAD ESPECÍFICA

Nuevamente, la densidad es la masa de una substancia dividida por su volumen. Si el volumen de un aceite mediano tal como el hidrocarburo dulce es 706.4 pie3 (20m3) y la masa es 36861 lbm (16720 kg), la densidad del hidrocarburo será 36861 lbm/706.4 pie3 = 52.2 lbm/pie3. ((16720/20) = 836kg/m3). La temperatura estándar usada en la industria petrolera es 60°F (15°C) a presión atmosférica (14.7 psi) o una atmósfera. La densidad del agua pura a 60°F (15°C) es de 62.4 lbm/ft3 (999.1 kg/m3). La gravedad específica del hidrocarburo con respecto al agua a 60°F (15°C) será:

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

GE =

Densidad del hidrocarburo a 60°F (15°C) Densidad del agua a 60°F (15°C)

3 = 52.2 lbm.pie 62.4 lbm/pie3 3 = 836 Kg m 999.1 Kg/m3 = 0.836

En muchas aplicaciones, es necesario expresar la densidad en términos de gravedad API (para más información vea el módulo titulado densidad y gravedad específica). Para convertir la gravedad específica en gravedad API, use la siguiente fórmula: API =

141.5 - 131.5 GE

Para el ejemplo anterior, API =

141.5 - 131.5 0.836

API = 37.8

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

1. La masa está definida como la ______________.

a) b) c) d)

la medida que ejerce la fuerza gravitacional sobre un objeto densidad de un objeto la cantidad de materia en un objeto cantidad total de espacio que un objeto ocupa

REPASO 2

2. Peso esta definido como ______________.

a) b) c) d)

la medida que ejerce la fuerza gravitacional sobre un objeto densidad de un objeto la cantidad de materia en un objeto cantidad total de espacio que un objeto ocupa

3. La densidad es la masa de una substancia con respecto a ______________.

a) b) c) d)

volumen peso viscocidad gravedad específica

4. El término viscocidad se refiere a la capacidad de un líquido para ______________.

a) b) c) d)

expandirse disolverse vaporizarse resistencia a fluir

5. Un producto con una alta fluidez posee una _________.

a) b) c) d)

baja resistencia a fluir alta densidad bajo volumen alta resistencia a fluir

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

6. El término gravedad específica se refiere a _________.

a) la densidad de una substancia a 32°F (0°C) b) la densidad de una líquido a 60°F (15°C) comparado con la densidad del agua a 60°F (15°C) c) el volumen de un líquido a 60°F (15°C), comparado con el volumen de una masa igual de agua a 60°F (15°C) d) la densidad de la sustancia a 60°F (15°C) 7. Si un producto a 60°F (15°C) posee una densidad de 57.2 Lbm/pie3 (916 Kg/m3), la gravedad específica del producto es _______.

a) b) c) d)

0.350 3.50 7.01 0.917

8. Como puede compararse la masa de una substancia en la luna, con su masa en la tierra?

a) b) c) d)

es mayor en la luna es mayor en la tierra es la misma depende de la substancia

9. Un tanque conteniendo 352.9 Pies3 (10m3) de un hidrocarburo pesado con una masa de 20040 Lbm (9090 Kg) tiene una densidad de _________.

a) b) c) d)

31.2 Lbm/pie3 (500 Kg/m3) 50.2 Lbm/pie3 (804 Kg/m3) 56.8 Lbm/pie3 (909 Kg/m3) 32.8 Lbm/pie3 (525 Kg/m3)

10. Un líquido con una alta viscosidad puede _____.

a) b) c) d)

tener una alta densidad cambiar de forma rapidamente tener una alta fluidez fluir lentamente

Las respuestas están al final del módulo.

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

SECCION 3

PUNTO DE FLUIDEZ, COMPRESIBILIDAD, PRESION DE VAPOR Y SOLUBILIDAD Además de las propiedades de fluidos como masa, densidad, viscosidad y gravedad específica estudiadas en la sección previa, otras características de fluidos tienen un enorme impacto en el flujo. Estas características de fluidos son: • Punto de fluídez • Compresibilidad • Presion de vapor, y • Solubilidad.

INTRODUCCION

La siguiente sección de este módulo estudia y describe estas cuatro características de los fluidos y describe sus efectos dentro de la operación de la tubería.

Al finalizar esta sección usted será capaz de completar los objetivos siguientes: • Definir el término punto de fluídez • Definir el término compresibilidad • Definir el término presion de vapor, y • Definir el término solubilidad.

OBJETIVOS

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

PUNTO DE FLUIDEZ

El punto de fluidez de un líquido es la temperatura más baja a la cual podrá verterse, o fluir. Cuando el combustible diesel es enfriado bajo este punto de fluidez, se congelará y no fluirá a través de la tubería, a no ser que se le adicione presión adicional. También el combustible diesel puede estar en un estado congelado o (plástico) a temperaturas extremadamente bajas, este puede aún fluir dandole energía de bombeo suficiente. Para conservar la energía, el producto de la temperatura podrá ser mantenido sobre el punto de fluidez. Los reducidores del punto de fluidez son químicos que bajan el punto de congelación de los combustibles diesel. Adicionando reducidores del punto de fluidez a los combustibles diesel con alto punto de congelación bajan este lo suficiente para que el combustible diesel pueda ser bombeado en clima muy frio. Los combustibles diesel pueden ser bombeados a temperaturas debajo del punto de congelación, pero requiere mayor energía. Sin embargo no hay un cambio significativo en la densidad bajo el punto de congelación, se requiere mayor fuerza para sobrellevar el producto de la viscosidad.

COMPRESIBILIDAD

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La compresibilidad define hasta qué punto un líquido podrá ser comprimido. Como toda materia los líquidos podrán ser comprimidos si se exponen a suficiente presión. Sin embargo las moléculas en un líquido se acercarán si se ejerce presión sobre el mismo. Un incremento en la presión aplicada cambiará el volumen del líquido. Un aumento en la presión disminuirá el volumen del líquido y una disminución en la presión incrementará el volumen del líquido. Por ejemplo, los gases licuados del petroleo (GLP) podrán expandirse y contraerse aproximadamente de un 1% a un 2% a 60°F (15°C) dependiendo de la cantidad de presión aplicada. Es importante saber que tanto podrá comprimirse un líquido bajo una presión dada tal que el volumen se pueda ajustar a la presión estándar. Expansión y compresibilidad del GLP es una consideración operacional importante en el sistema de tubería. El GLP debe ser mantenido a suficiente presión para mantenerlo licuado.

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

Presión de vapor esta definida como la presión sobre la cual el líquido no podrá seguir vaporizándose. Es la presión que mantiene un líquido y su vapor en equilibrio a una temperatura dada.

PRESION DE VAPOR

Líquidos como el agua, que estan hechos de una substancia singular, poseen presiones de vapor fijas a una temperatura dada. Líquidos como la gasolina y la gasolina natural estan hechos de diferentes componentes. Cada uno de estos componentes tienen una presión de vapor distinta. La presión de aumenta exponencialmente con la temperatura. La presión de vapor REID representa la presión de vapor de un líquido a una temperatura estándar de 100ºF (37.8ºC). Un líquido con una alta presión de vapor se vaporizará facilmente. La presión de la línea para el GLP se debe mantener sobre la presión de vapor de la mayoría de sus componentes volátiles. Cuando la temperatura del suelo al rededor de la tubería es mayor (como en verano en un clima extremo, por ejemplo) se requiere mayor presión para mantener el líquido de la vaporización.

Solubilidad es la capacidad de una sustancia para disolverse. El azúcar, por ejemplo se disuelve rápidamente en agua, así pues esta tiene alta solubilidad con respecto al agua. La mayoría de los combustibles diesel y los productos de petróleo se disuelven facilmente unos en otros lo que significa el por que el operador debe mantener los líquidos fluyendo a una velocidad superior superior a la recomendada como velocidad crítica. Cuando el líquido fluye sobre su velocidad crítica, el líquido cercano al centro de la tubería no se mueve adelante del resto del líquido y se disuelve en el siguiente líquido dentro de la tubería.

SOLUBILIDAD

Figura 8 Sustancia Saliendo de una Solución La solubilidad esta influenciada por presión y temperatura Pueden ocurrir cambios en la mezcla a causa de los cambios en presión o temperatura. Se debe tener una provisión para prevenir y controlar estos cambios. Durante el enfriamiento, cualquier sustancia disuelta en el combustible diesel saldrá de la solución y caerá en el fondo del contenedor.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 3

1. El término punto de fluidez o congelación se refiere a ______.

a) b) c) d)

la presión más alta a la cual un líquido puede congelarse la presión más baja a la cual un líquido puede congelarse la temperatura más baja a la cual un líquido puede congelarse la temperatura más alta a la cual un líquido puede congelarse

2. El término presión de vapor se refiere a la presión ______.

a) b) c) d)

sobre la cual el gas no se condensará sobre la cual un líquido no continuará vaporizándose a la cual un líquido calentado a 212ºF (100ºC) hervirá bajo el cual el líquido no continuará vaporizándose

3. El término compresibilidad se refiere a la tendencia de un líquido a _____ cuando se somete a una alta presión.

a) b) c) d)

incrementar el volumen decrecer en volumen incrementar en temperatura decrecer en temperatura

4. El término solubilidad se refiere a la capacidad de un(a) ______.

a) b) c) d)

sustancia a ser disuelta sustancia para disolver otra sustancia gas para fluir líquido para fluir

5. Para mantener disueltos los materiales, producto de la separación y corrosión de las paredes de la tubería, los operadores deben ______.

a) mantener velocidades de flujo bajas b) usar tanta presión como sea posible para mantener el producto fluyendo tan rapido como sea posible c) mantener la velocidad de flujo sobre la velocidad crítica d) variar la velocidad de flujo de lenta a rápida y de rápida a lenta

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

6. Apretando un balón de agua hasta que se rompa sería una demostración de la propiedad de ______.

a) b) c) d)

presión de vapor condensación copresibilidad presión de vapor de REID

7. Es importante mantener el combustible diesel sobre su punto de congelación por que _____.

a) este no fluirá a temperaturas por debajo del punto de fluidez b) a altas temperaturas, se congelará c) se tornará en gas a temperaturas por debajo del punto de fluidez d) a bajas temperaturas, tendrá baja viscosidad 8. El comportamiento de la sal en el agua es un ejemplo de ______.

a) b) c) d)

viscosidad compresibilidad volatilidad solubilidad

Las respuestas están al final del módulo.

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

SECCION 4

LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y PRESION EN LIQUIDOS Todas las propiedades de los líquidos y sus características para fluir están afectadas por la temperatura. Recuerde que la actividad molecular de los líquidos se incrementa con el aumento de la temperatura. A medida que la temperatura se incrementa: • el volumen del líquido se incrementa • la gravedad específica del líquido decrece, y • los líquidos eventualmente se vaporizan.

Al finalizar esta sección usted estará en capacidad de completar los siguientes objetivos: • Definir el término expansión térmica. • Explicar como la expansión térmica afecta la medida de la fluidez de los líquidos a través de la tubería. • Definir el término volatilidad. • Definir el término punto de inflamación. • Describir las propiedades y el comportamiento de los Gases Licuados de Petroleo (GLP) dentro de la tubería.

INTRODUCCION

OBJETIVOS

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

EXPANSION TERMICA

La Expansión térmica es la propiedad de los líquidos de expandirse mientras su temperatura se incrementa. Por que hay muchas fuentes de energía calórica en la tubería, un volumen mayor de combustible diesel siempre llega al destino al cual fúe originalmente enviado. La masa del combustible diesel no ha cambiado - existe aún una cantidad igual de combustible diesel llegando al punto de destino, pero esta ocupa más espacio. Por ejemplo, un menor volumen es corregido a su estándar 60ºF (15ºC) para acreditar la expansión y la contracción térmica, un bache dentro de la tubería puede dejar una estación con un volumen de 251 000 Bbl (40 000 m3) y llegar a otra estación más baja con un volumen de 250 000 Bbl (40 300 m3). El enfriamiento también afecta el volumen. El combustible diesel también se puede enfriar con bajas temperaturas del suelo a medida que fluye a través de la tubería. Si el líquido no viaja a través de muchos bombeos a medida que se mueve hacia abajo de la tubería su temperatura decrece, y entonces su volumen disminuye. Si el combustible diesel no se puede mover dentro de la tubería y su temperatura se incrementa, la presión aumentará por que el combustible diesel no tiene espacio para expandirse.

9

0

8

0

7 6

0 0

5

0

4

0

3

0

2

0

1

0

Figura 9 Termohidrómetro Un termohidrómetro es utilizado para determinar la temperatura y la gravedad específica de los productos de petróleo.

La densidad y la temperatura de un líquido se debe determinar cuando entra a la tubería. Los volúmenes del bache se expanden con la temperatura incrementada y se contraen con la disminución de la misma. Los valores observados de gravedad específica son corregidos para los valores estándar de la industria petrolera a 60ºF (15ºC). Es importante determinar la cantidad exacta del producto de petróleo a la temperatura estándar para asegurarse que las transferencias custodiadas entre dos compañias esten calibardas.

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

La expansión y contracción debida a los cambios de temperatura debe ser corregida a 60ºF (15ºC) para establecer el volumen verdadero cada vez que un bache cambia de manos.

Volatilidad es la tendencia de una sustancia a vaporizarse. Entre mayor volatilidad el líquido estará más listo para vaporizarse. Un líquido en un recipiente abierto cambiará gradualmente a vapor cuando esté expuesto a la atmósfera. Si una pequeña cantidad de alcohol (el cual tiene alta volatilidad) es expuesto al aire, se evapora rápidamente, mientras que el agua que tiene baja volatilidad se evapora más lentamente.

VOLATILIDAD

Las siguientes presiones de vapor de REID muestran ejemplos de líquidos de baja, mediana y alta volatilidad. Líquido

Presion de Vapor

Alta Volatilidad (GLP):

Más de 3.05 psi

Volatilidad media (Gasolina):

0.05 a 3.05 psi

Baja volatilidad (Combustible diesel): menos de 0.05 psi

El punto de inflamación es la temperatura a la cual el líquido libera suficiente vapor formando una mezcla con el aire que puede causar ignición al contacto con una llama. Un líquido con alta volatilidad posee un bajo punto de inflamación, y un líquido con baja volatilidad posee un alto punto de inflamación. Por ejemplo un líquido inflamable altamente volátil tal como el gas licuado de petróleo posee un bajo punto de inflamación.

El gas licuado de petroleo (GLP) (Una mezcla principalmente de propano y butano con cantidades limitadas de condensado), por definición, significa gas licuado de petroleo. En la tubería, el GLP es mantenido como líquido bajo altas presiones y es altamente volátil. Cuando la presión es mantenida sobre el GLP, gotas licuadas caen bajo presión de vapor, el GLP inmediatamente se convierte en gas, el cual tiene 200 veces el volumen del líquido y es extremadamente inflamable. Es imperativo que el GLP sea mantenido bajo suficiente presión para mantenerlo en estado líquido.

PUNTO DE INFLAMACION

CARACTERISTICAS ESPECIALES DEL GAS LICUADO DE PETROLEO (GLP)

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

REPASO 4

1. El término expansión térmica se refiere a la propiedad del líquido a __________ cuando la temperatura se incrementa.

a) b) c) d)

incremento en el volumen disminución en el volumen incremento en la gravedad específica disminución en la viscosidad

2. La temperatura estándar para calcular el volumen es _______.

a) b) c) d)

32ºF (0ºC) 60ºF (15ºC) 100ºF (38ºC) 212ºF (100ºC)

3. La tendencia de una sustancia a vaporizarse es llamada ______.

a) b) c) d)

densidad punto de inflamación volatilidad presión de vapor

4. Un producto con alta presión de vapor posee _______ punto de inflamación.

a) bajo b) variable c) alto 5. El punto de inflamación del GLP es ________.

a) b) c) d)

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bajo medio alto variable

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

6. La temperatura de un líquido en una tubería es incrementada por ______.

a) b) c) d)

la expansión del producto alta volatilidad linea de fricción mayores presiones de vapor

7. Entre más rápido el combustible diesel se mueve, _____.

a) b) c) d)

más calor es producido menos se vaporizará se incrementa mucho más la masa posee menor volumen

8. La cantidad exacta del producto de petróleo a una temperatura estándar se puede conocer ______.

a) b) c) d)

para determinar la temperatura ambiente porque el producto se puede expandir y contraer para determinar el punto de fluidez tal que la volatilidad puede ser ajustada

9. El punto de inflamación para el combustible diesel es ______ relativo al GLP

a) b) c) d)

alto bajo medio inexistente

10. Si el GLP no es mantenido bajo presión este es un _______.

a) solido b) líquido c) gaseoso

Las respuestas están al final del módulo.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

RESUMEN

SECCION 1 - MATERIA Y EFECTOS DE LA PRESION •

Los átomos consisten de electrones, que poseen una carga negativa, protones, que tienen una carga positiva, y neutrones que no poseen carga. Los átomos se pueden enlazar para formar moléculas.

•

Un sólido tiene tanto forma como volumen definido. Un líquido posee volumen definido pero no posee forma por si solo. Un gas no tiene ni forma ni volumen definido.

•

La presión afecta la cantidad de energía requerida para solidificar o vaporizar la materia. Altas presiones hacen más dificil que la materia se vaporise bajas presiones hacen más dificil que la materia se solidifique.

•

Si la presión ejercida sobre un líquido se incrementa, el punto de ebullición de ese líquido aumentará.

SECCION 2 - FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE LA LINEA •

Se necesita más energía de bombeo para empujar el combustible diesel colina arriba que para bombear gasolina con las mismas pérdidas de fricción. La potencia de bombeo depende tanto del perfil de elevación como de las pérdidas por fricción.

•

La viscosidad determina la energía perdida entre dos estaciones de bombeo, mientras que la densidad afecta la presión de bombeo.

•

Densidad (ρ) es la masa (M) de una sustancia dividida por su volumen. (V): ρ = M/V.

•

La gravedad específica compara la densidad de cualquier líquido con la densidad del agua, ambos a la misma temperatura de referencia de 60ºF (15ºC).

SECCION 3 - PUNTO DE FLUIDEZ, COMPRESIBILIDAD, PRESION DE VAPOR Y SOLUBILIDAD

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•

Para conservar energía, los productos deben ser mantenidos a temperaturas por encima de sus puntos de fluidez.

•

Los líquidos pueden ser comprimidos. Un cambio en la presión produce un cambio en el volumen del líquido.

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

•

La presión de vapor afecta la cantidad de presión requerida para bombear ciertos tipos de productos tales como los GLPs. Estos productos deben ser siempre mantenidos a presiones por encima de la presión de vapor para evitar la expansión accidental y potencialmente peligrosa.

•

Los combustibles diesel generalmente contienen sedimentos y agua disuelta. Estas sustancias pueden depositarse en las paredes de la tubería y obstaculizar el flujo.

SECCION 4 - LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y LA PRESION EN LOS LIQUIDOS •

El volumen de los líquidos se incrementa cuando aumenta la temperatura. El volumen de los líquidos debe ser corregido al volumen a la temperatura estándar de 60ºF (15ºC).

•

La volatilidad de un líquido es su tendencia a vaporizarse cuando se expone al aire.

•

Un líquido con baja presión de vapor tiene un alto punto de inflamación, mientras que un líquido con alta presión de vapor tiene un bajo punto de inflamación.

•

El Gas Licuado del Petróleo (GLP) es mantenido en una forma líquida dentro de la tubería con alta presión.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

GLOSARIO

compresibilidad define hasta qué punto un líquido puede ser comprimido. (p.22) densidad es la masa de un objeto por unidad de volumen. (p.14) expansión térmica es la propiedad de los líquidos que establece que a medida que la temperatura se incrementa, el volumen del líquido aumenta y la gravedad específica disminuye. (p.28) fluidez es la capacidad de un líquido para fluír. (p.14) fricción de fluído es la medida de la fricción interna de un líquido. tambien llamada “viscosidad”, es la propiedad de los líquidos que describe su resistencia a fluír. (p.13) gravedad específica compara la densidad de cualquier líquido con la densidad del agua, ambas a la misma temperatura de referencia de 60ºF (15ºC). (p.17) masa es la cantidad de materia que un objeto contiene. (p.12) materia cualquier clase de sustancia. (p.4) peso la medida de la fuerza gravitacional ejercida sobre un objeto. (p.12) presión la cantidad de fuerza (F) ejercida sobre una unidad de área (A). (p.6) presión de vapor la presión sobre la cual un líquido no continuará vaporizándose. La presión de vapor es la presión que mantiene a un líquido y su vapor en equilibrio a una temperatura dada. (p.23) punto de fluidez o congelación es la temperatura más baja a la cual un líquido puede congelarse o fluír. (p.22)

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PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

punto de inflamación es la temperatura a la cual un líquido puede liberar suficiente vapor para formar una mezcla con el aire que puede llegar a la ignición con una llama. (p.29) reductores del punto de fluidez o congelación son químicos que bajan el punto de fluidez de los combustibles diesel. (p.22) solubilidad es la capacidad de la sustancia para disolverse. (p.23) velocidad crítica la velocidad del líquido dentro de la tubería bajo la cual materia disuelta y suspendida se asienta. (Esta velocidad es diferente de la velocidad crítica que define la transición del flujo laminar al turbulento estudiado en el módulo - VISCOSIDAD). (p.23) viscosidad la propiedad de un líquido que describe su resistencia a fluir, o la medida de su fricción interna. Es llamada algunas veces fricción de fluído. (p.13) volatilidad la tendencia de una sustancia a vaporizarse. (p.29)

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