Tema 1 LA DISPOSICIÓN SIMÉTRICA DE LA TUBERÍA RESUELVE PROBLEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE FLUJO BIFÁSICO

## **LA DISPOSICIÓN SIMÉTRICA DE LA TUBERÍA RESUELVE PROBLEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE FLUJO BIFÁSICO**

**El secreto para la distribución bifásica en sistemas de tubería ramificada, es el estricto cumplimiento con tuberías simétricas y un patrón de flujo de líquido uniformemente disperso.**

**John L. Greenne**

**The fluor Corp., Ltd., Houston**

Un problema frecuente en ingeniería es el diseño de sistemas de tubería ramificada para distribución de flujo, niebla o flujo disperso, y una caída de presión baja general. Controlar patrones de flujo, distribución de líquido, y optimizar la caída de presión son variables que deben ser consideradas.

**Reconocer los patrones de flujo** en flujo bifásico es la primera parte del problema. En un sistema bifásico, cuando el gas fluye a varias velocidades, se desarrollan diferentes tipos de patrones de flujo. En general, estos flujos son descritos como burbuja, tapón, estratificado, babosa, anular, niebla o bruma. Flujo burbuja, flujo tapón, flujo ondulado, flujo anular y flujo estratificado se muestran en las figuras 1 y 2. Para esta discusión el flujo de babosa es definido como una mezcla de líquido y gas que tiene una densidad variable con respecto al tiempo. Por lo tanto, el termino flujo de babosa también incluirá flujo tapón y se acercará al flujo anular y de burbuja.

* Figura 1, Patrones de flujo

* Figura 2, patrones de flujo

En diseño de ingeniería el patrón de flujo debe ser determinado en cada aplicación bifásica. En un servicio donde las variaciones de presión no pueden ser toleradas, no puede haber flujo de babosa. Por ejemplo, el flujo de babosa corriente abajo en una columna de destilación causará variaciones en la presión y una operación inestable, o corriente abajo de reactores catalíticos puede causar desgaste del catalizador.

Para la obtención de más conocimientos de los patrones de flujo consulte el siguiente enlace en la pagina 66 tema 12.1:

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/20299/1/tema1\_Flujo%20interno.pdf

**Distribución de líquido.** Cuando dos fases fluyen a través del mismo tubo, el gas fluye más rápido que el líquido. En una curva ligera el líquido tiende a seguir la pared exterior. El codo o giro debe ser perpendicular al encabezamiento, como se muestra en la Figura 3. Si esto no es posible, una camisa y un tapón o una mezcla de longitud después de la curva puede ser usada.

Figura 3, Muestra la distribución del líquido en un encabezado. (1) codo perpendicular al encabezado (Bueno). (2) Codo paralelo al encabezado (mala). (3) camisa y tapón paralelo al encabezado (Aceptable).

El líquido debe estar distribuido en intercambiadores de calor, enfriadores de aire y otro tipo de equipamientos. A menudo es necesario rotar un codo a la cara del intercambiador con el fin de distribuir el líquido en el arreglo. Las camisas y tapones o mezcla de longitudes son también usadas en las entradas para calentar los intercambiadores. En la salida, la distribución del líquido usualmente no es importante. La gravedad de la operación y el deber del servicio seleccionado (tamaño de liberación de calor) para proveer la distribución del líquido están determinadas por un balance económico. Por lo tanto, cada caso debe ser observado individualmente.

si desea un compresión más detallada de intercambiador de calor de aire le recomiendo visitar el siguiente audiovisual:

https://www.youtube.com/watch?v=YINaKXL7H2k

**La distribución de flujo en**
sistemas de tuberías múltiples **es una función de pérdida de presión a través de cada sistema lateral. El problema de distribución de flujo bifásico en arreglos de sistemas de tuberías múltiples está presente frecuentemente en plantas grandes, particularmente en el alrededor de los enfriadores de aire, intercambio paralelo, etc.**

Figura 4, Muestra tuberías simétricas en flujo bifásico. (1) Tres pasos y (2) Dos pasos.

La solución más simple para la distribución de flujo es proporcionar una válvula de bloqueo en cada línea de ramificación. Visto desde costos de válvulas y decaída de presión, esto no es viable. Por lo tanto, las caídas de presión a través del sistema deben ser dependiendo de la distribución de flujo. Como se muestra en la figura 4, si las válvulas no están proporcionadas en cada línea
de ramificación de flujo bifásico, entonces el diseño debe ser simétrico.

Figura 5, Muestra los diseños de tubería preferidos para el flujo de un solo paso en dos arreglos de pasada. (1) Buena distribución, (2) distribución justa, (3) mala distribución.

Los diseños preferidos para flujo bifásico se muestran en la figura 7. En la selección depende la importancia y tarea de cada servicio. La pérdida de fricción en las guarniciones fue determinada usando el teorema de Bernoulli (método de velocidad de cabeza) y los coeficientes de velocidad de la literatura. Para determinar la caída de presión en flujo bifásico cuando hay menos gas que líquido por peso, las correlaciones de flujo bifásico deben ser usadas.

**Aplicaciones.** Los ahorros se pueden aplicar en un óptimo diseño de calentadores, intercambiadores de calor, etc. En sistemas grandes el uso de caballos de fuerza desde bombas y compresores puede ser reducido. Con este conocimiento de cómo minimizar perdidas en tubos múltiples, los planos pueden ser presentados de manera más eficiente. El diseño ideal de tuberías crea menos cambios en el plan de trazado y recorrido de tuberías más corto.

El flujo de babosa causa fluctuaciones en la presión del sistema. La eliminación del flujo de babosa ayuda a estabilizar la unidad. El flujo de babosa también puede causar problemas mayores tales como desgaste del catalizador. Por lo tanto, la vida del catalizador puede ser incrementada si este se elimina. Minimizar las caídas de presión y mejorar la distribución de flujo y liquido incrementará rendimientos y disminuirá el capital y costos de operación.

**Problema ejemplo.**  Distribución dentro y fuera de un enfriador de aire de 16 secciones con 5.3 Libras por pulgada de caída de presión. (16-6 boquillas) y con el siguiente flujo:

**LIQUIDO**                                            **ENTRANDO**                                      **SALIENDO**

Flujo Lb/hr.                                         484.000                                               652.000

Gravedad específica a

Temperatura y Presión                    0.670                                                   0.678

Temperatura °F                                 277                                                       150

Viscosidad Cp. (centipoise)            0.310                                                   0.412

**VAPOR**                                               **ENTRANDO**                                      **SALIENDO**

Flujo Lb/hr.                                         533.000                                               365.000

Peso molecular                                 8.49                                                      5.99

Viscosidad Cp. (centipoise)            0.01132                                               0.0099

Tres casos serán considerados para determinar el mejor diseño de tubería. Por economía se evita poner válvulas en cada una de las 16 secciones.

* **Caso I**

Un encabezamiento con 16 laterales en la entrada y salida se muestra en la figura 6.

Figura 6, Muestra encabezamientos individuales de 24 pulgadas con laterales de 6 pulgadas (problema ejemplo caso I).

**Patrón de flujo.** De las correlaciones de flujo bifásico de Baker, el tipo de flujo es determinado de cada despegue lateral como se muestra en la figura 6. Los patrones de flujo van desde niebla, anular, babosa y flujo estratificado. Este cambio de patrón de flujo no es aceptable.

**Caída en la presión.** Los cálculos en la caída de presión son un procedimiento de prueba y error para determinar la distribución exacta. Usando el teorema de Bernoulli y el coeficiente de velocidad de cabeza de la literatura, la presión inicial y distribución de flujo (asumiendo distribución equitativa) son los siguientes para el primer y decimosexto paso:

* **Primer sistema ramificado.** ∆P1 =10.46 psi incluyendo perdida de la refrigeración.

* **Decimosexto sistema ramificado.** ∆P16  = 8.24 psi incluyendo perdida del refrigerador

Porcentaje de flujo no distribuido = 4.89%

En un servicio de gran demanda este 4.89% de mala distribución no es aceptable. El caso 1 no es un buen sistema.

* **Caso II**

Un encabezamiento cónico con 16 laterales en la entrada y la salida se muestra en la figura 7.

Figura 7, muestra encabezados cónicos (24x8 pulgadas) con laterales de 6 pulgadas (problema ejemplo – caso II).

**Patrón de flujo.** De las correlaciones de flujo bifásico de Baker, el tipo de flujo es determinado para estar en flujo de niebla en la longitud total del encabezamiento en entrada y salida.

**Caída en la presión.** Las pérdidas de presión fueron calculadas de la misma manera que en el caso 1, solo las pérdidas de expansión y contracción fueron consideradas.

* **Primer sistema ramificado.** ∆P1 = 11.86 psi incluyendo perdida de enfriamiento.

* **Decimosexto sistema ramificado.** ∆P16= 9.55 psi incluyendo perdida de refrigeración.

Porcentaje de flujo no distribuido = 4.64%

En un servicio con gran demanda este 4.64% de mala distribución no es aceptable. Hay 8.37% más caída de la presión que en el caso 1 y el encabezado cónico es caro. El caso 2 no es un buen sistema.

* **Caso III**

Se muestra un diseño semi-simétrico de tubería múltiple en la figura 8.

Figura 8, muestra un diseño semi-simétrico de tubería múltiple (problema ejemplo -caso III).

**Patrón de flujo.** Toda la tubería está diseñada de tal manera que solo es encontrado el flujo niebla. Todos los giros en los encabezamientos tienen que ser rotados correctamente de tal manera que el líquido este distribuido equitativamente.

**Caída en la presión.** Las pérdidas de presión fueron calculadas como en el caso I.

* **Primer sistema de ramificación.** ∆P1 = 9.34 psi incluyendo perdida de refrigeración.
* **Cuarto sistema de ramificación.**  ∆P4 = 8.97 psi incluyendo perdida de refrigeración.

Porcentaje de flujo no distribuido = 1.96%

En el caso III el flujo está disperso a lo largo del sistema. La distribución de flujo es la mejor económicamente justificable. Este es un buen sistema.

## **PALABRAS CLAVE**

1. **FLUJO NIEBLA (bruma):** Un régimen de flujo de fluido multifásico caracterizado por la distribución de la fase gaseosa como burbujas a través de la fase líquida.
2. **FLUJO ESTRATIFICADO:** Un régimen de flujo multifásico en pozos horizontales o casi horizontales en el que los fluidos se separan en diferentes capas, con fluidos más ligeros que fluyen por encima de los fluidos más pesados. El flujo estratificado es más probable que ocurra a tasas de flujo bajas y en secciones planas o en declive de pozos horizontales.
3. **FLUJO BABOSA:** Un régimen de flujo de fluido multifásico caracterizado por una serie de tapones de líquido (babosas) separados por bolsas de gas relativamente grandes.
4. **FLUJO TAPÓN:** Un régimen de flujo multifásico en tuberías en el que la mayoría del gas se mueve a medida que las burbujas grandes se dispersan dentro de un líquido continuo. Las burbujas pueden abarcar gran parte de la tubería. También hay pequeñas burbujas dentro del líquido, pero muchas de ellas se han fusionado para formar burbujas o tapones más grandes. En pozos casi horizontales, los tapones también se conocen como burbujas alargadas. El flujo de tapón es similar al flujo babosa, pero las burbujas son generalmente más pequeñas y se mueven más lentamente.
5. **FLUJO ANULAR:** Un régimen de flujo multifásico en el que el fluido del encendedor fluye en el centro de la tubería, y el fluido más pesado está contenido en una película delgada en la pared de la tubería.

Para una obtención de información más amplia del tema consulte los siguientes enlaces:

https://prezi.com/fzvhiur6dcnr/flujo-bifasico/

https://es.scribd.com/presentation/185919064/Flujo-bifasico

Hay que tener en cuenta que cuando se habla de flujos bifásicos en tuberías, se habla de sistemas complejos ya se involucra una serie de parámetro a seguir y todo dependiendo de como se comporte el fluido, sus características físicas y químicas, y que tipo de fluido se este manejado en dicho sistema, es decir antes de hacer un diseño de sistema de tubería se debe de tener presente que tipos de problemas se podrían presentar a raíz de los parámetros mencionados anteriormente.