Medicion Gas

Recopilado y reeditado por Recopilado y reeditado por Ing. Jairo Bernardo Viola ValdésIng. Jairo Bernardo Viola Valdés

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LINEA DE SERVICIO FACILIDADES DE PRODUCCIÓN

1. Conceptos basicos de gas natural2. Conceptos basicos de medicion3. Tipos de medidores de gas4. Selección de un medidor de gas4. Medicion en platinas de orificio.5. Ejercicios6. Errores en medicion

CONTENIDOCONTENIDO

CONCEPTOS BASICOS DE GAS CONCEPTOS BASICOS DE GAS NATURALNATURAL

Estados de la materia

Clasificacion de los gases• Gas ideal:Gas ideal: Es un gas imaginario que obedece a ciertas leyes simples tales como la de Boyle, Charles, Dalton y Amagat. Tal gas tiene masa, pero las moleculas del gas en si no ocupan volumen y no existen fuerzas entre ellas.

• Gas real:Gas real: Son sustancias donde las moleculas tienen fuerzas de interaccion entre si y sus moleculas ocupan volumen.

SOLIDO LIQUIDO GASEOSOTiene forma y volumen

definidos

Tiene volumen definido pero se adapta a la forma del

recipiente

No tiene forma, ni volumen definido

Las particulas ocupan posiciones fijas y carecen

de movimiento

Tiene algun movimiento El movimiento es mucho mayor


Gas ideal

Ecuacion de EstadoEcuacion de EstadoPV = n R TPV = n R T

donde: P = PresionV = Volumenn = numero de molesR = Constante de los gases idealesT = Temperatura

Ley de Boyle:Ley de Boyle: “El volumen de un numero de moles de gas es inversamente proporcional a la presion a una temperatura constante”.

[ V (1/P) ] a T ktte

Tambien se expresa como: Po Vo = P1 V1Po Vo = P1 V1


Gas idealLey de Charles:Ley de Charles: “El volumen de un numero de moles de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta a una presion constante”

[ V T ] a P ktte

Tambien se expresa como: T1 Vo = To V1T1 Vo = To V1

Ley de Avogadro:Ley de Avogadro: “El volumen de un gas es directamente proporcional al numero de moles a una temperatura absoluta y presion constante”

[ V n ] a P y T ktte

Tambien se expresa como: nn1 Vo = 1 Vo = nno V1o V1


Gas idealLey de Dalton:Ley de Dalton: “Para una mezcla gaseosa a temperatura y volumenes definidos, la presion total es igual a la suma de las presiones parciales”

Ptotal = P1 + P2 + P3 + …..Pn

donde P1, P2, P3, Pn, representa las presiones de los gases 1,2,3, etc.

Ley de Amagat:Ley de Amagat: “Para una mezcla gaseosa el volumen total es igual a la sumatoria de los volumenes particulares de los componentes a una presion y temperatura constante”

Vtotal = V1 + V2 + V3 + …..Vn


Gas RealDado que la mayoria de los gases no tienen un comportamiento ideal, se introduce un nuevo factor, el factor Z (factor de compresibilidad) que mide la desviacion del comportamiento del gas de un gas ideal. Cuanto mayor sea su diferencia con la unidad menos ideal es el comportamiento del gas en estudio.

PV = Z n R TPV = Z n R T


PresionSe define como la fuerza ejercida por un fluido sobre la unidad de superficie.

Presion Manometrica:Presion Manometrica: Presion medida en un sistema a traves de un instrumento llamado “manometro de bourdon”.

Presion Barometrica: Presion Barometrica: La presion real de la atmosfera se mide con un instrumento llamado “barometro”. La presion atmosferica a nivel del mar es de 14.7 psi, o 760 mm de mercurio.

Presion absoluta:Presion absoluta: Pabsoluta = Pmanometrica + Pbarometrica

1 atmósfera : 33.91 pies de agua33.91 pies de agua14.7 psi (absoluta)14.7 psi (absoluta)29.92 pulgadas de mercurio29.92 pulgadas de mercurio760 milímetros de mercurio760 milímetros de mercurio


TemperaturaEl concepto se origino a causa del sentido fisico del calor o frio. La temperatura es una

propiedad de los cuerpos que da una idea del mayor o menor grado de agitacion que

poseen las moleculas.

Escalas:Escalas:• Centigrada:Centigrada: Agua: 0 grados centigrados -- Congelamiento

100 gradis centigrados -- Ebullicion

•Kelvin: Kelvin: Escala absoluta correspondiente a la centigrada, la cual se basa en el coeficiente de dilatacion de los gases. Al aumentar en 1 grado Centigrado la temperatura de un gas, a presion constante, su volumen aumenta 1/273 de su volumen original

•Fahrenheit:Fahrenheit: Agua: 32 F -- Congelamiento212 F -- Ebullicion

• Rankine:Rankine: Escala absoluta correspomdiente a los grados fahrenheit.

CONCEPTOS MEDICIONCONCEPTOS MEDICION

Principio de conservacion de la masa

A1 U1 V1 A2 U2 V2m1 m2

donde m1 = m2Si no hay perdidas de materia entre una y otra,el principio de conservacion de la masa nos lleva a afirmar que la cantidad de producto que pasa por ambas es la misma si los tiempos son iguales. No hay acumulacion.

Principio de conservacion de la energia

TIPOS DE MEDIDORES DE GASTIPOS DE MEDIDORES DE GAS

1. MEDIDORES VOLUMETRICOS1. MEDIDORES VOLUMETRICOSA. MEDIDORES VOLUMETRICOS DE TASA DE FLUJO Medidores de presion diferencial (orificio) Medidores de area (Rotametros) Medidores de velocidad (Turbina)

B. MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Diafragma Rotativos Alabes en rotacion Tambor de liquido sellado

2. SISTEMAS ELECTRONICOS DE MEDICION2. SISTEMAS ELECTRONICOS DE MEDICION Computadores de flujo basados en microprocesadores Computadores analogos Computadores digitales de flujo Medidor de flujo vortex

3. MEDIDOR DE FLUJO DE MASA3. MEDIDOR DE FLUJO DE MASA

MEDIDORES VOLUMETRICOSMEDIDORES VOLUMETRICOS

Son aquellos que operan con una corriente continua de gas, Son aquellos que operan con una corriente continua de gas, pasando a traves del elemento primario que actua sobre los pasando a traves del elemento primario que actua sobre los elementos secundarios que indican o registran la tasa de flujoelementos secundarios que indican o registran la tasa de flujo

a. Medidores de presion diferencial (orificio)a. Medidores de presion diferencial (orificio)

Se basan en el principio de creacion de una presion diferencial que varia de acuerdo con la tasa de flujo. El elemento primario es la platina de orificio concentrica afilada (perfilada). Los elementos secundarios se utilizan para registrar la presion diferencial y determinar la presion, temperatura y otras variables requeridas para el calculo del volumen de gas.

b. Medidores de area (Rotametros)b. Medidores de area (Rotametros)

Esta segunda clase de medidores incluye los de area fija y variable y su principio se basa sobre las mismas bases de conservacion de la energia del medidor de orificio. En su forma mas comun, el medidor incluye un flotador en un tubo vertical, el flujo hacia arriba permite al flotador asumir una posicion particular para una rata especifica. En este medidor la presion diferencial permanece constante y el area alrededor del flotador aumenta en proporcion directa al flujo.


c. Medidores de velocidad (Turbinas)c. Medidores de velocidad (Turbinas)

En estos medidores un elemento primario llamado ”rotor” es accionado por la velocidad del gas, siendo el numero de revoluciones del rotor directamente proporcional al volumen total de gas que pasa a traves de medidor. La rotacion es a menudo magnetica o por induccion, por un alambre sensor localizado sobre el lado exterior de la corriente de flujo. El tipo mas popular de medidor de velocidad para medicion de gas es el de turbina de flujo axial.


Son medidores que determinan la cantidad total de gas que pasa a Son medidores que determinan la cantidad total de gas que pasa a traves del medidor en el momento de la lectura, se les conoce tambien traves del medidor en el momento de la lectura, se les conoce tambien como medidores de desplazamiento positivo. Son medidores con gran como medidores de desplazamiento positivo. Son medidores con gran confiabilidad para bajos volumenes. confiabilidad para bajos volumenes.

a. Medidores de Diafragmaa. Medidores de Diafragma

El principio de medicion consiste en el conteo del numero de desplazamientos que hacen las camaras del medidor al llenarse y vaciarse en forma secuencial. Valvulas controlan la entrada de gas y la salida de los compartimientos. Son muy populares en la venta domiciliaria debido a su gran simplicidad y durabilidad, como a su exactitud.

MEDIDORES DE MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTODESPLAZAMIENTO

b. Medidores de Rotativosb. Medidores de Rotativos

Utiliza unas camaras principales de rotacion para medir el volumen del gas desplazado. Normalmente son impellers o rotores de lobulos, que rotan en direccion opuesta exisitiendo casi contacto entre los dos elementos rotatorios.

Cuando un impeller esta en posicion vertical, un volumen determinado de gas se encuentra en el compartimiento de medicion, como el impeller continua girando a la minima caida de presion a traves del rotor, el volumen es descargado al fondo del medidor. Esta accion tiene lugar cuatro veces para una revolucion completa de los engranajes, a una velocidad proporcional al flujo de gas.


c. Medidores de Alabes de rotacionc. Medidores de Alabes de rotacion

Consiste en un tambor excentrico que lleva alabes radiales en la caja del medidor para formar compartimientos de medicion. La presion diferencial a traves de los alabes hace rotar el tambor. Con cada revolucion, el tambor mide cuatro veces el volumen de gas requerido para llenar la camara anular de medicion


d. Medidores de Tambor liquido en rotaciond. Medidores de Tambor liquido en rotacion

Es uno de los mas viejos comercialmente, su operación se realiza en un tubo cilindrico (lleno con agua o aceite mas de la mitad) que contiene un tambor con cuatro alabes. El gas entra a traves de la linea conectada en el centro al comportimiento superior, forzando la rotacion para que el compartimiento gire, buscando admitir el maximo volumen de gas.

Se usan como medidores de referencia (prueba).


a. Computadores de flujo basados en microprocesadora. Computadores de flujo basados en microprocesador

Surgieron de la necesidad de mejorar la repeatibilidad y precision, que garantizaran la medicion segura de grandes volumenes logrando sistemas receptores que no solo indicaran la totalidad de flujo como los sistemas tradicionales, sino que adicionalmente realizara compensaciones por el cambio de variables y caracteristicas dinamicas (presion, temperatura y densidad).

SISTEMAS ELECTRONICOS DE SISTEMAS ELECTRONICOS DE MEDICIONMEDICION

1. Propiedades de gas1. Propiedades de gas Composicion Temperatura de flujo Presencia de elementos corrosivos

2. Caracteristicas de medidor2. Caracteristicas de medidor Exactitud Rangeabilidad Caida de presion

3. Factores de instalacion3. Factores de instalacion Tamano Requerimientos de tuberia recta Temperatura ambiente de operación (referida al exterior).

4. Factores economicos4. Factores economicos Costo de medidor Vida util Costo instalacion Estabilidad (requerimientos

calibracion) Costos de operación y mantenimiento

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN MEDIDORMEDIDOR

MEDIDORES DE FLUJO VORTEXMEDIDORES DE FLUJO VORTEX

El principio de operación es la formacion de torbellinos. En este medidor el flujo es dividido en dos corrientes, la inestabilidad de la capa cortante hace que el fluido forme un torbellino muy bien definido y el tiempo de formacion del torbellino depende de la geometria de la barrera; despues de formado fluye y otro torbellino empieza a formarse al lado opuesto de la barrera. Si el fluido es estable la formacion del segundo torbellino tomara el mismo tiempo que para el primero y este sera proporcional a la velocidad del fluido.

SISTEMAS ELECTRONICOS DE SISTEMAS ELECTRONICOS DE MEDICIONMEDICION

MEDIDORES DE FLUJO DE MASAMEDIDORES DE FLUJO DE MASA

El principio de operación es la formacion de torbellinos. En este medidor el flujo es dividido en dos corrientes, la inestabilidad de la capa cortante hace que el fluido forme un torbellino muy bien definido y el tiempo de formacion del torbellino depende de la geometria de la barrera; despues de formado fluye y otro torbellino empieza a formarse al lado opuesto de la barrera. Si el fluido es estable la formacion del segundo torbellino tomara el mismo tiempo que para el primero y este sera proporcional a la velocidad del fluido.

MEDIDORES DE FLUJO DE MASAMEDIDORES DE FLUJO DE MASA

MEDIDOR DE PLATINA DE MEDIDOR DE PLATINA DE ORIFICIOORIFICIO

Es el medidor de presion mas comun y utilizado para medicion de liquidos y gases.

Correcta instalacion y mantenimiento del orificio puede proveer medidas con un grado de desviacion de la exactitud de menos del 2%.

Es un sistema de facil instalacion y economico.

Consiste en un medidor continuo de la presion estatica y diferencial conectado a un flange orificio o a un portaorificio.

Las instalaciones pueden ser de los siguientes tipos: a. Flanges de orificio.b. Camara simples de portaorificios.c. Portaorificio senior.

PLATINA DE ORIFICIOPLATINA DE ORIFICIO

Es el elemento a traves del cual pasa el flujo generando la caida de presion diferencial. Se instala perpendicular a la linea de flujo. Y es la mas utilizada debido a su bajo costo, adaptabilidad y disponibilidad de coeficientes exactos. Para la mayoria de servicios se utiliza materiales resistentes a la corrosion usualmente acero inoxidable tipo 304 o 316.

Como normas se tienen las siguientes:

1. El espesor del borde interno de la platina de orificio no podra ser menor a:

1/501/50 del diametro de la tuberia

1/81/8 del diametro del orificio

2. Las relaciones de diametro = d/D = d/D (donde d=diametro de la platina y D=diametro de la tuberia) tienen los siguientes limites:

Flange taps:Flange taps: debe estar entre 0.15 y 0.700.15 y 0.70

Pipe taps:Pipe taps: debe estar entre 0.20 y 0.670.20 y 0.67

PLATINA DE ORIFICIOPLATINA DE ORIFICIO

3. La cara de la plantina corriente arriba debe ser plana y perpendicular al eje del medidor.

4. El orificio debe estar libre de suciedad y acumulaciones de materiales extranos.

5. La excentricidad de la platina de orificio debe ser mantenida dentro de un maximo permisible del 3% del diametro interno.

Tolerancias practicas para los diametros de orificios en pulgadas

Tamano de orificio Tolerancia ( + o -)

0.250 0.00030.375 0.00040.500 0.00050.625 0.00050.750 0.00050.875 0.00051.000 0.0005

Mas de 1.000 0.0005d

CALCULOS PLATINA DE ORIFICIOCALCULOS PLATINA DE ORIFICIO

El volumen de gas que pasa a traves de una platina de orificio puede calcularse de la siguiente manera:

QQgg = C’ = C’ h hww p pff

donde: Qg : flujo de gas (std cu ft/hr) a Pb y Tb

hw : Presion diferencial a traves del orificio (pulg h2O)

pf : Presion de flujo en psia

C’ : Constante del orificio

C’ = Fb x Fpb x Ftb x Fg x Ftf x Fr x Y x Fpv x Fm x Fl x C’ = Fb x Fpb x Ftb x Fg x Ftf x Fr x Y x Fpv x Fm x Fl x

FaFa

Para la determinacion de cada uno de los factores existen tablas que correlacionan las condiciones de flujo a las condiciones base.


1. Factor de Orificio Fb1. Factor de Orificio Fb

Se determina por la ecuacion FFbb = 210.44 d K (Tb/Pb) = 210.44 d K (Tb/Pb) Tf x (1/G) Tf x (1/G)

donde se asume: Tb = Tf = 520 R

pb = 14.7 psia

G = 1.0

Fb = 33.17 dFb = 33.17 d22 K = 338.17 K = 338.17 D D22 K K

d = diametro del orificio

K = coeficiente de descarga del orificio

D = diametro interno de la tuberia

= relacion de diametros


2. Factor de presion base Fpb2. Factor de presion base Fpb

Se aplica para cambiar la presion base de 14.73 psi a otro valor.

3. Factor de Temperatura base Ftb3. Factor de Temperatura base Ftb

Se utiliza para corregir la temperatura base cuando esta no es 520 R (60 F). Este factor puede ser calculado asi Ftb = Tsc/520Ftb = Tsc/520

4. Factor de gravedad especifica Fg4. Factor de gravedad especifica Fg

Este factor se emplea para corregir el factor del orificio para los casos donde la

gravedad especifica del fluido es diferente a 1.0. Fg = (1/Fg = (1/gg))0.50.5

5. Factor de temperatura de flujo Ftf5. Factor de temperatura de flujo Ftf

Este factor se emplea para corregir la temperatura de flujo cuando esta es diferente de 60 F. Ftf = (520/Tf)Ftf = (520/Tf)0.50.5


6. Factor de numero de Reynolds Fr6. Factor de numero de Reynolds Fr

Se aplica para corregir el factor de orificio base al flujo actual (numero de Reynolds). En la medicion de gases, la variacion es ligera y en algunos casos es ignorada en las operaciones de produccion.

7. Factor de Expansion Y7. Factor de Expansion Y

Este termino es esencialmente un factor de proceso termodinamico, el cual relaciona la densidad aguas arriba y aguas abajo. Cuando un gas fluye a traves de un orificio, el cambio de velocidad y presion es acompanado de el cambio del peso especifico, este factor corrige el efecto de este cambio.

8. Factor de Supercompresibilidad Fpv8. Factor de Supercompresibilidad Fpv

Este factor se emplea para corregir la desviacion del gas medido de las leyes de gases ideales Fpv = (1/Z) Fpv = (1/Z)0.50.5


9. Factor manometrico Fm9. Factor manometrico Fm

Aplicable solamente a manometros de mercurio donde el peso de la columna de gas sobre la cantidad de mercurio del manometro del medidor de orificio es un factor en la determinacion de la presion diferencial verdadera a traves del orificio. El efeto de este factor aumenta con el incremento de la densidad del gas.

10. Factor de localizacion Fl10. Factor de localizacion Fl

Aplicable a medidores de mercurio para corregir por elevacion y latitudes que no sean el nivel de mar y 45 grados latitud.

11. Factor de Expansion termica del orificio Fa11. Factor de Expansion termica del orificio Fa

Se utiliza para corregir el error resultante de la expansion o contraccion del orificio a temperaturas apreciablemente diferentes de la temperatura a la cual el orificio fue perforado.

INSTALACION PLATINAS DE INSTALACION PLATINAS DE ORIFICIOORIFICIO

Ejercicio 1Ejercicio 1

Determine la rata de flujo in scf/hr a 14.4 psi y 60 F para un medidor flange taps con la siguiente informacion:

hw = 40 in H2O Pest = 143 psig Temp flujo = 84 FD = 4.026 in d = 1.50 in G = 0.7

SolucionLos respectivos factores son:Fb = 460.79Fpb = 1.0229Ftb = 1.0000Fg = 1.1952Ftf = 0.9777Fr = 1.0004Y = 1.0016C’ = 551.89

Qg = 551.89 x ((40) x (143 + 14.73))0.5 = 43810 scf/h

Ejercicio 2Ejercicio 2

Determine el tamano aproximado de una platina de orificio para un medidor flange taps para servicio de gas, bajo las siguientes condiciones:

D = 4.026 in G = 0.7 Temp flujo = 100 FPf = 75 psig Qg = 14200 scf/h Pdiff deseada = 50 in H2O

SolucionQg = Fb x Ftf x Fg x (hw x pf)

Reorganizando Fb = Qg / (Ftf x Fg x (hw x pf))

donde Ftf = 0.9636Fg = 1.1952

Fb = 14200 / (0.9636 x 1.1952 x (50 x 75) = 201.342

Entonces con un Fb = 201.342 se busca en la tabla de Fb para una linea de DI=4.026 un valor cercano al Fb calculado y se halla el diametro aproximado de la platina.d = 1.0000 ---- Fb = 201.99 entonces esta platina es la que nos sirve.

Una buena instalaciónUna buena instalación

Incorrecta instalaciónIncorrecta instalación

1. No se cumplen las distancias requeridas a la entrada y salida de la platina.2. Exceso de linea de tubing.


1. Codo muy cercano, no se cumple con distancia requerida entrada2. Válvula dentro de la distancia del meter tube lenght3. Estática cerca de punto maxima turbulencia. Toma inferiror.4. Exceso de tubing.


1. Exceso de tubing


1. Flange sin especificaciones. Diámetro interno.


1. Exceso de tubing

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