Estado del arte de las nuevas tecnologías de inspección

Realizar el estado del arte de las últimas tecnologías existentes para la inspección de sistemas de tuberías de acueductos y alcantarillado, que generen menor impacto al normal funcionamiento del sistema.

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PROYECTO DE GRADO INGENIERÍA CIVIL 

 

ESTADO DEL ARTE EN EL USO DE AGENTES REDUCTORES DE 

ARRASTRE PARA FACILITAR EL BOMBEO DE CRUDOS PESADOS 

 

Sebastián Aguas Lozano 

 

 

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama 

 

 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 

FACULTAD DE INGENIERÍA  

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL 

INGENIERÍA CIVIL  

Bogotá D.C 

2013 

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AGRADECIMIENTOS 

 

 

Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el 

resultado. Un esfuerzo total es una victoria completa”. 

Mahatma Gandhi. 

 

Agradezco a mis padres, Luis Alberto y María Juliana, que me 

inculcaron el amor a mi profesión y jamás dudaron de mis 

capacidades. 

A mi tía Alejandra por su apoyo y colaboración en la 

estructuración del documento. 

A mi asesor, Juan G. Saldarriaga por guiarme a 

través del proceso. 

Gracias.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Centro de investigaciones en Acueductos y Alcantarillados- CIACUA 
Estado del Arte en el Uso de Agentes Reductores de Arrastre para 
Facilitar el Bombeo de Crudos Pesados 
 

Sebastián Aguas Lozano   

Proyecto de Grado 

Página i 

 

Tabla de contenido 

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES .................................................................................................................. iv 

ÍNDICE DE GRÁFICAS ........................................................................................................................... vi 

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS ........................................................................................................... viii 

ÍNDICE DE ECUACIONES ...................................................................................................................... ix 

1. 

Introducción ................................................................................................................................ 1 

2. 

Objetivos ..................................................................................................................................... 3 

2.1. 

Objetivo General ................................................................................................................. 3 

2.2. 

Objetivos Específicos ........................................................................................................... 3 

3. 

Marco teórico .............................................................................................................................. 4 

3.1. 

Panorama de explotación de crudos pesados y extra pesados a nivel mundial ................. 4 

3.2. 

Distribución mundial de crudos pesados y extra pesados .................................................. 6 

3.3. 

Panorama colombiano de explotación de crudos pesados y extra pesados ...................... 6 

3.4. 

Composición y clasificación de crudos ................................................................................ 9 

3.4.1. 

Clasificación por composición química ..................................................................... 10 

3.4.2. 

Clasificación según viscosidad y gravedad API° ........................................................ 11 

3.5. 

Viscosidad .......................................................................................................................... 12 

3.6. 

Turbulencia y escalas de medición .................................................................................... 13 

3.7. 

Reducción de arrastre ....................................................................................................... 15 

4. 

Métodos de transporte ............................................................................................................. 16 

4.1. 

Precalentamiento del Crudo ............................................................................................. 16 

4.2. 

Dilución .............................................................................................................................. 18 

4.3. 

Refinamiento Previo .......................................................................................................... 20 

4.4. 

Flujo Anular ....................................................................................................................... 20 

4.5. 

Emulsión ............................................................................................................................ 22 

5. 

Agentes Reductores de Arrastre (DRAs) ................................................................................... 28 

5.1. 

Descripción general e historia ........................................................................................... 28 

5.2. 

Surfactantes ...................................................................................................................... 29 

5.2.1. 

Surfactantes Aniónicos .............................................................................................. 30 

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Sebastián Aguas Lozano   

Proyecto de Grado 

Página ii 

 

5.2.2. 

Surfactantes Catiónicos ............................................................................................. 30 

5.2.3. 

Surfactantes No Iónicos............................................................................................. 30 

5.2.4. 

Surfactantes Anfóteros ............................................................................................. 30 

5.2.5. 

Formación de Micelas ............................................................................................... 31 

5.2.6. 

Influencia de la temperatura en el comportamiento de la micela ........................... 37 

5.2.7. 

Formación de redes de micelas ................................................................................. 41 

5.2.8. 

Deslizamiento de pared............................................................................................. 46 

5.2.9. 

Influencia  del  número  de  Reynolds  sobre  el  desempeño  de  los  surfactantes  como 
Agentes Reductores de Arrastre ............................................................................... 50 

5.3. 

Suspensión de fibras ......................................................................................................... 56 

5.3.1. 

Suspensión de fibras heterogénea ............................................................................ 63 

5.3.2. 

Suspensión de fibras homogénea ............................................................................. 64 

5.4. 

Polímeros........................................................................................................................... 82 

5.4.1. 

Fenómeno de reducción de arrastre en agentes poliméricos .................................. 83 

6. 

Viabilidad de los Agentes Reductores en la industria petrolera colombiana ........................... 95 

6.1. 

Ventajas de los Agentes Reductores de Arrastre .............................................................. 96 

6.1.1. 

Ventajas  de  la  implementación  de  Surfactantes  como  Agentes  Reductores  de 
Arrastre...................................................................................................................... 97 

6.1.2. 

Ventajas  de  la  implementación  de  Suspensiones  de  Fibras  como  Agentes 

Reductores de Arrastre ............................................................................................................. 98 

6.1.3. 

Ventajas de la implementación de Polímeros como Agentes Reductores de Arrastre 

 

 ................................................................................................................................... 98 

6.2. 

Desventajas de los Agentes Reductores de Arrastre ........................................................ 99 

6.2.1. 

Desventajas  de  la  implementación  de  Surfactantes  como  Agentes  Reductores  de 
Arrastre...................................................................................................................... 99 

6.2.2. 

Desventajas  de  la  implementación  de  Suspensiones  de  Fibras  como  Agentes 
Reductores de Arrastre ........................................................................................... 100 

6.2.3. 

Desventajas  de  la  implementación  de  Polímeros  como  Agentes  Reductores  de 
Arrastre.................................................................................................................... 101 

6.3. 

Viabilidad técnica de los Agentes Reductores de Arrastre ............................................. 102 

6.4. 

Viabilidad económica de los Agentes Reductores de Arrastre ....................................... 107 

6.4.1. 

Viabilidad económica de los Surfactantes como Agentes Reductores de Arrastre 107 

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Página iv 

 

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES 

Ilustración 3-1. Red de Oleoductos Colombiano. Fuente: Ecopetrol. ................................................. 8 
Ilustración 3-2. Clasificación según viscosidad y gravedad API°. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 12 
Ilustración 4-1. Flujo Anular. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). ....................................................... 21 
Ilustración 4-2. Flujos Anulares inestables. Adaptada de: (Gosh, Mandal, Das, & Das, 2008). ........ 21 
Ilustración 4-3. Deposición de crudo en la pared de la tubería por efecto del Flujo Anular Bambú. 
Adaptada de: (Bai, Chen, & Renardy, 1997). ..................................................................................... 22 
Ilustración 4-4. Emulsión Crudo-Agua. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). ....................................... 22 
Ilustración 4-5. Ejemplos de estructuras moleculares. A) asfalteno (adaptado del residuo del crudo 
Venezuela  para  una  proporción  de  510C,  INTEVEP  SA  Tech.  Rept,  1992);  b)  Resina  (Athabasta 
tarsand Bitumen); c) Acido Naptenico. Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004).
 ........................................................................................................................................................... 23 
Ilustración  4-6.  Mecanismo  de  estabilización  de  emulsiones:  capa  de  asfáltenos  formando  una 
interface crudo/agua. Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). ........................ 24 
Ilustración  4-7.  Relación  ángulo  de  incidencia  y  emulsión  formada.  Adaptada  de:  (Langevin, 
Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). .................................................................................................... 24 
Ilustración 5-1. Micela compuesta por Surfactantes Anfóteros. Fuente: (Autor). ........................... 32 
Ilustración  5-2.  Fuerzas  repulsivas  en  micelas  cilíndricas  formadas  por  Surfactantes  Catiónicos. 
Fuente: (Autor). ................................................................................................................................. 35 
Ilustración  5-3.  Tamaño  de  los  parámetros  de  flexibilidad  micela  en  función  de  la  fracción 
volumétrica de surfactante. Adaptada de: (Ezrahi, Tuval, & Aserin, 2006) ...................................... 37 
Ilustración 5-4. Efecto de una fuerza cortante generada por a través del torque de una barra sobre 
un fluido newtoniano y un fluido viscoelástico. Adaptada de: (Franck, 2007). ................................ 42 
Ilustración 5-5. Representación del módulo complejo como combinación de dos vectores, que son 
el módulo elástico y viscoso. Adaptada de: (Quesada, 2008). .......................................................... 44 
Ilustración 5-6. Tubo formado por micelas circundantes. Fuente: (Autor). ..................................... 47 
Ilustración 5-7. Mecanismo de reptación. Fuente: (Autor). .............................................................. 48 
Ilustración  5-8.  Representación  gráfica  del  número  de  aglomeración.  Adaptada  de:  (BEGHELLO, 
1998). ................................................................................................................................................ 58 
Ilustración 5-9. Suspensión de fibras tipo I. Adaptada de: (Delfos René, 2011). .............................. 59 
Ilustración 5-10.Suspensión de fibras tipo II. Adaptada de: (Delfos René, 2011). ............................ 59 
Ilustración 5-11. Suspensión de fibras tipo III. Adaptada de: (Delfos René, 2011). .......................... 60 
Ilustración 5-12. Efecto Slip. Fuente: (Autor). ................................................................................... 66 
Ilustración 5-13. Efecto de los vórtices en el perfil de velocidades. Basada en: (Bohórquez, 2012).67 
Ilustración 5-14. Movimiento de un streak hacia el centro de la tubería. Adaptada de: (Bohórquez, 
2012). ................................................................................................................................................ 68 
Ilustración  5-15.  Región  de  interacción  comprendida  entre  el  límite  sólido  y  el  límite  inferior. 
Fuente: (Autor). ................................................................................................................................. 71 
Ilustración 5-16.Interacción partículas - vórtice. Fuente: (Autor)..................................................... 71 

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Página v 

 

Ilustración 5-17. Interacción fibras - vórtice para        . Fuente: (Autor). ................................. 72 
Ilustración 5-18. Oposición al estiramiento de los vórtices padre. Fuente: (Autor). ........................ 87 
Ilustración 5-19. Esfuerzos normales generados a partir del esfuerzo cortante. Fuente: (Autor). .. 88 
Ilustración  5-20.  Ángulo  de  aproximación  del  vórtice  padre  hacia  la  región  turbulenta.  Fuente: 
(Autor). .............................................................................................................................................. 89 
Ilustración  5-21.  Reducción  de  arrastre  en  agentes  poliméricos.  Escenario  DR=0%.  Adaptada  de: 
(Bohórquez, 2012). ............................................................................................................................ 90 
Ilustración 5-22. Reducción de arrastre en agentes poliméricos. Escenario DR=18%. Adaptada de: 
(Bohórquez, 2012). ............................................................................................................................ 90 
Ilustración 5-23. Reducción de arrastre en agentes poliméricos. Escenario DR=61%. Adaptada de: 
(Bohórquez, 2012). ............................................................................................................................ 91 
Ilustración 6-1. Red de oleoductos de Colombia. Fuente: (OCENSA). .............................................. 96 
Ilustración 6-2. Esquema de una estación de bombeo típica. Fuente: (Autor). ............................. 103 
Ilustración 6-3. Bomba Inyectora MP BTG/HX HILLMAN. Adaptada de: (HILLMANN, 2013). ........ 104 
Ilustración  6-4.  Tanque  sellado  para  la  implementación  de  DRAs.  Adaptada  de:  (Facultad  de 
Ingenieria UBA, 2007). .................................................................................................................... 104 
Ilustración 6-5. Máquina ROTATOR de Lidem. Adaptada de: (LIDEM, 2013). ................................ 105 
Ilustración 6-6. Bomba centrífuga K4L 50HP 3450 RPM 5X4B Novem. Adaptada de: (NOVEM, 2013).
 ......................................................................................................................................................... 106 
Ilustración 6-7. Esquema de una estación de bombeo típica, con infraestructura para la aplicación 
de DRAs. Fuente: (Autor). ............................................................................................................... 106 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Página vi 

 

ÍNDICE DE GRÁFICAS 

Gráfica  3-1.  Distribución  de  fuentes  de  energía  primaria  en  América  Latina.  Adaptada  de: 
(González, 2012) .................................................................................................................................. 5 
Gráfica  3-2.  Distribución  de  los  recursos  petroleros  identificados  hasta  el  2003.  Adaptada  de: 
(Saniere, Hénaut, & Arguilier, 2004). .................................................................................................. 5 
Gráfica  3-3.  Producción  de  crudo  en  Colombia  (KBPD).  Adaptada  de:  (Cámara  Colombiana  de 
Servicios Petroleros, 2009). ................................................................................................................. 7 
Gráfica 3-4. Producción de petróleo según el tipo de crudo. Adaptada de: (Cámara Colombiana de 
Servicios Petroleros, 2009). ................................................................................................................. 9 
Gráfica  4-1.  Efecto  de  la  temperatura  en  la  viscosidad  de  los  crudos  pesados.  Adaptada  de: 
(Bemani, Basma, Yaghi, & ali, 2010). ................................................................................................. 17 
Gráfica  4-2.  Comportamiento  de  la  viscosidad  del  crudo  pesado  diluido  con  Kerosene  (T=30°). 
Adaptada de: (Bemani, Basma, Yaghi, & ali, 2010). .......................................................................... 19 
Gráfica 4-3. Comportamiento de la viscosidad del crudo pesado diluido con Crudo Liviano (T=30°). 
Adaptada de: (Bemani, Basma, Yaghi, & ali, 2010). .......................................................................... 19 
Gráfica  4-4.Capilaridad  crítica  (línea  sólida)  para  la  ruptura  de  gotas  en  función  de  la  razón  de 
viscosidades. Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). ...................................... 26 
Gráfica 4-5.Viscosidad de las emulsiones curdo/agua a diferentes tasas de cortante. Adaptada de: 
(Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). ................................................................................... 27 
Gráfica  5-1.  Zonas  de  estabilidad  para  la  solución  de  Dodecilsulfato    sódico  (SDS)  con  NaCl. 
Adaptada de: (Zhou, Xu, Ma, Li, Wei, & Yu, 2011). ........................................................................... 33 
Gráfica 5-2. Zonas de estabilidad para la solución de Dodecilsulfato  sódico (SDS) sin NaCl. Fuente: 
(Zhou, Xu, Ma, Li, Wei, & Yu, 2011). ................................................................................................. 34 
Gráfica 5-3. Correlación de diagramas térmicos de flujo y torque aplicado para el mantenimiento 
de velocidad constante. Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011)....................................... 39 
Gráfica 5-4. Temperatura de rompimiento de micelas en relación con el grupo alquilo CH2 para los 
surfactantes  compuestos  de  Bromuro  de  alquitrimetilamonio:        ,        ,        . 
Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011). ............................................................................. 40 
Gráfica  5-5.  Reynolds  crítico  vs  temperatura  de  la  solución  para  diferentes  concentraciones  de 
Bromuro de alquitrimetilamonio. Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011). ...................... 41 
Gráfica  5-6.  Correlación  esfuerzo  cortante,  deformación  (s)  y  esfuerzo  normal  para  materiales 
viscoelásticos. Adaptada de: (Franck, 2007). .................................................................................... 43 
Gráfica 5-7. Viscosidad inicial y viscosidad de Plateau para diferentes tasas de aplicación de carga. 
Adaptada de: (Hu & Matthys, 1995). ................................................................................................ 45 
Gráfica 5-8. Regímenes de módulo complejo en materiales viscoelásticos. Adaptada de: (Sunthar, 
2006). ................................................................................................................................................ 46 
Gráfica 5-9.Regímenes de flujo de los surfactantes. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). ......................... 52 
Gráfica 5-10. Comparación del perfil de velocidades de la solución de surfactantes y el agua para 
los Regímenes de flujo II, II y IV. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). ........................................................ 53 

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Gráfica 5-11. Comparación de las fluctuaciones de velocidad en dirección del flujo para los flujos 
de la solución de surfactante y agua. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). ................................................ 54 
Gráfica 5-12.Comparación de las fluctuaciones de velocidad en dirección  normal al flujo para los 
flujos de la solución de surfactante y agua. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). ...................................... 55 
Gráfica 5-13. Efecto del diámetro de la tubería en el fenómeno de reducción de arrastre. Adaptada 
de: (SALEM, MANSOUR, & SYLVESTER, 2007). .................................................................................. 56 
Gráfica  5-14.  Efecto  del  número  de  aglomeración  para  suspensiones  con  diferentes  valores  de 
relación de aspecto. Adaptada de: (BEGHELLO, 1998), .................................................................... 61 
Gráfica 5-15. Efecto de la concentración de consistencia de masa en fibras con diferente relación 
de aspecto. Adaptada de: (BEGHELLO, 1998). .................................................................................. 61 
Gráfica  5-16.Efecto  de  la  relación  de  aspecto  en  la  disminución  de  las  perdidas  por  fricción. 
Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ..................................................................................................... 63 
Gráfica 5-17. Comparación de curvas de pérdidas por fricción entre fluido (agua) con suspensión 
de  fibras  y  fluido  (agua)  por  sí  solo.  Adaptada  de:  (Derakhshandeh,  Kerekes,  Hatzikiriakos,  & 
Bennington, 2011). ............................................................................................................................ 65 
Gráfica 5-18. Efecto de  la concentración y relación de  aspecto en suspensión de  fibras de  Nylon 
para una velocidad media de flujo de 8 p/s. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). .............................. 76 
Gráfica 5-19. Efecto de  la concentración y relación de  aspecto en suspensión de  fibras de  Nylon 
para una velocidad media de flujo de 10 p/s. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ............................ 77 
Gráfica 5-20. Perfil de velocidad Turbulencia Newtoniana. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ....... 79 
Gráfica 5-21. Perfil de velocidad Turbulencia Amortiguada. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970)....... 79 
Gráfica 5-22.Perfil de velocidad Turbulencia Amortiguada. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ...... 80 
Gráfica 5-23. Perfil de velocidad Turbulencia de pistón. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ............ 80 
Gráfica 5-24. Perfil de velocidad Turbulencia de pistón (Max DR). Adaptada de: (Kerekes R. , 1970).
 ........................................................................................................................................................... 81 
Gráfica 5-25. Perfil de velocidad para el flujo de pistón (no DR). Adaptada de: (Kerekes R. J., 1970).
 ........................................................................................................................................................... 81 
Gráfica 5-26. Perfil de  velocidad para diferentes porcentajes  de  reducción de  arrastre. Adaptada 
de: (DUBIEF, WHITE, TERRAPON, SHAQFEH, MOIN, & LELE, 2004). ................................................. 84 
Gráfica 5-27. Fluctuaciones en dirección del flujo (     , símbolos despegados) y perpendiculares 
a este (     , símbolos unidos por líneas), para diferentes porcentajes de reducción de arrastre. 
Adaptada de: (DUBIEF, WHITE, TERRAPON, SHAQFEH, MOIN, & LELE, 2004). ................................ 85 
Gráfica  5-28.  Efecto  del  diámetro  en  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  de  Agentes 
Poliméricos. Adaptada de: (VlRK, 1975). ........................................................................................... 92 
Gráfica 5-29. Efecto de la concentración en la reducción de arrastre. Adaptada de: (VlRK, 1975).  94 
Gráfica 6-1. Desempeño Extreme Power 1000. Adaptada de: (OCENSA, 2012). ............................ 111 
 

 

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ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS 

Tabla  3-1.  Producción  por  cuenca  y  su  participación  total  nacional.  Adaptada  de:  (Cámara 
Colombiana de Servicios Petroleros, 2009). ....................................................................................... 7 
Tabla 3-2. Clasificación por composición química. Adaptada de: (SPEIGHT, 2002) .......................... 10 
Tabla 3-3. Zonas de  flujo medidas en términos de  "Unidades  de  Pared" para el  régimen de  flujo 
turbulento. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). .................................................................................. 14 
Tabla  5-1.  Efecto  del  régimen  de  flujo  en  la  efectividad  de  reducción  de  arrastre.  Adaptada  de: 
(Jubran, Zurigat, & Goosen, 2005). ................................................................................................... 29 
Tabla 5-2. Parámetros de flujo. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). ......................................................... 52 
Tabla 5-3. Reducción de fricción en suspensiones  de fibras sintéticas. Adaptada de: (Kerekes R. , 
1970). ................................................................................................................................................ 62 
Tabla 5-4. Tipos de fibras experimentales. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). ................................. 75 
Tabla 5-5. Coeficientes K1 y K2. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). .................................................. 77 
Tabla  5-6.  Suspensión  de  fibras  utilizada  para  el  cálculo  de  perfiles  de  velocidad.  Adaptada  de: 
(Kerekes R. , 1970)............................................................................................................................. 78 
Tabla 5-7. Polímeros solubles y no solubles en agua. Fuente: (Bohórquez, 2012). .......................... 83 
 

Figura  3-1.  Distribución  geográfica  de  crudos  pesados,  extra  pesados  y  bitumen.  Adaptada  de: 
(Saniere, Hénaut, & Arguilier, 2004). .................................................................................................. 6 
Figura  6-1.  Productos  producidos  por  Phillips  Specialty  Products  Inc.  Adaptada  de:  (Bohórquez, 
2012). .............................................................................................................................................. 111 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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ÍNDICE DE ECUACIONES 

Ecuación 3-1. Índice de correlación para clasificación química. ....................................................... 11 
Ecuación 3-2. Gravedad API° ............................................................................................................. 11 
Ecuación 3-3. Viscosidad Dinámica. .................................................................................................. 12 
Ecuación 3-4. Viscosidad Cinemática. ............................................................................................... 13 
Ecuación 3-5. Distancia desde la pared medida en "Unidades de Pared". ....................................... 13 
Ecuación 3-6. Escala de longitud viscosa........................................................................................... 14 
Ecuación 3-7. Velocidad de corte. ..................................................................................................... 14 
Ecuación 3-8. Reducción de Arrastre bajo la comparación de factores de fricción. ......................... 15 
Ecuación 3-9. Reducción de Arrastre bajo la comparación de las pérdidas de presión. .................. 15 
Ecuación 3-10. Reducción de Arrastre bajo la comparación de esfuerzos cortantes en la pared de la 
tubería. .............................................................................................................................................. 16 
Ecuación 4-1. Capilaridad. ................................................................................................................. 25 
Ecuación 4-2. Razón de viscosidades. ............................................................................................... 25 
Ecuación 4-3. Velocidad de sedimentación de gotas. ....................................................................... 26 
Ecuación 5-1. Reducción de arrastre. ................................................................................................ 28 
Ecuación 5-2. Reducción de arrastre porcentual. ............................................................................. 28 
Ecuación 5-3. Parámetro de empaquetado de micelas. ................................................................... 31 
Ecuación 5-4. Longitud total de micela no iónica. ............................................................................ 35 
Ecuación 5-5. Longitud total de micela iónica................................................................................... 36 
Ecuación 5-6. Energía electrostática de la micela. ............................................................................ 36 
Ecuación 5-7. Longitud de persistencia. ............................................................................................ 36 
Ecuación 5-8. Diferencia de esfuerzos normales. ............................................................................. 43 
Ecuación 5-9. Módulo complejo de materiales viscoelásticos. ......................................................... 44 
Ecuación 5-10. Tiempo de reptación. ................................................................................................ 48 
Ecuación 5-11. Tiempo de escisión reversible. ................................................................................. 49 
Ecuación 5-12. Relajación del cortante (  >>     ). ....................................................................... 49 
Ecuación 5-13. Relajación del cortante (           ,). .................................................................. 49 
Ecuación 5-14. Tiempo de relajación combinado. ............................................................................ 50 
Ecuación 5-15. Colebrook-Withe. ..................................................................................................... 50 
Ecuación 5-16. Darcy Weisbach. ....................................................................................................... 51 
Ecuación 5-17. Factor de fricción. ..................................................................................................... 51 
Ecuación 5-18. Concentración de suspensión de fibras. ................................................................... 57 
Ecuación 5-19. Concentración critica de colisión de fibras. .............................................................. 57 
Ecuación 5-20. Número de aglomeración de fibras basado en la concentración volumétrica. ....... 58 
Ecuación 5-21. Número de aglomeración de fibras basado en la concentración de consistencia de 
masa. ................................................................................................................................................. 58 
Ecuación 5-22. Relación de aspecto de fibras. .................................................................................. 60 
Ecuación 5-23. Número de Reynolds turbulento con base en la longitud de la fibra....................... 68 

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Ecuación 5-24. Área superficial total proyectada en la región de interacción. ................................ 72 
Ecuación 5-25. Concentración de la suspensión en la región de interacción. .................................. 73 
Ecuación 5-26. Frecuencia de colisiones entre fibras. ...................................................................... 73 
Ecuación 5-27.Frecuencia de colisiones entre fibras. ....................................................................... 73 
Ecuación 5-28. Concentración de la suspensión en la región de interacción. .................................. 73 
Ecuación 5-29. Área superficial total proyectada en la región de interacción. ................................ 73 
Ecuación 5-30. Número total de fibras en la región de interacción. ................................................ 74 
Ecuación 5-31. Densidad de fibras. ................................................................................................... 74 
Ecuación 5-32. Volumen transversal de la región de interacción. .................................................... 74 
Ecuación 5-33. Reducción de arrastre en Suspensión de fibras Discontinua, para        . ......... 74 
Ecuación 5-34.Reduccion de arrastre en Suspensión de fibras Discontinua, para        . .......... 75 
Ecuación 5-35. Reducción de arrastre en suspensiones de fibras de nylon. .................................... 78 
Ecuación 5-36. Viscosidad de elongación.......................................................................................... 86 
Ecuación 5-37. Régimen polimérico. ................................................................................................. 93 
Ecuación 5-38. Asíntota de máxima reducción de Virk. .................................................................... 93 
Ecuación 5-39. Coeficiente de fricción. ............................................................................................. 93 
Ecuación 6-1. Molaridad ................................................................................................................. 107 
Ecuación 6-2. Moles de soluto ........................................................................................................ 107 
 

 

 

 

 

 

 

 

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1.  Introducción 

En  los  últimos  años  la  demanda  energética  se  ha  disparado  considerablemente  a  causa  de  gran 
variedad de motivos, entre ellos el crecimiento poblacional incontrolado. De igual manera, a fin de 
suplir dicha demanda, la oferta energética se ha incrementado drásticamente a nivel mundial. Sin 
embargo  no  es  un  secreto  que  vivimos  en  un  mundo  finito,  donde  las  principales  fuentes  de 
recursos energéticos son de carácter no renovable, por ende el aprovechamiento y transformación 
de dichos recursos naturales está ligado al agotamiento de los mismos.  

En  una  sociedad  mundial  donde  más  del  40%  de  los  recursos  energéticos  provienen  de  fuentes 
petroleras,  para  las cuales  según  los medios  de  comunicación,  de  manera  polémica y  alarmante 
expresan  la  existencia  de  reservas  útiles  para  los  próximos  25  a  30  años,  es  incuestionable  la 
aproximación  de  una  crisis  energética  mundial.  El  problema  radica  en  cómo  reemplazar  en  un 
futuro los recursos provenientes de los yacimientos de crudo. Indudablemente, gran cantidad de 
alternativas energéticas han surgido como solución a la crisis próxima, entre las más populares se 
encuentran  las  energías  limpias  provenientes  de  recursos  renovables,  tales  como  la 
hidroelectricidad,  energía  solar,  energía  geotérmica,  energía  eólica,  etc.  Sin  embargo  la  oferta 
proveniente de dichas fuentes se calcula capaz de suplir en un futuro, aproximadamente el 6% de 
la demanda mundial, es decir, aun si se utilizaran este tipo de fuentes se tendría un déficit de un 
poco  más  del  34%    de  la  energía  total  demandada  mundialmente,  entonces  la  crisis  no  sería 
evitada. 

El panorama no es del todo negativo, pues además de los recursos renovables, existen otro tipo de 
fuentes  energéticas  como  las  reservas  de  crudos  pesados  y  extra  pesados;  pero,  ¿no  que  las 
reservas  petroleras  tendrían  una  vida  útil  de  25  a  30  años?,    la  respuesta  a  esta  pregunta 
afortunadamente es negativa, ya que aunque existen reservas petroleras para los próximos 25 a 
30 años, estas corresponden exclusivamente a crudos livianos. Las reservas de crudos pesados y 
extra pesados actualmente equivalen a aproximadamente la suma entre la cantidad total de crudo 
liviano explotada hasta el presente año y las reservas actuales del mismo. Entonces,  ¿por qué no 
se han explotado este tipo de crudos a lo largo del tiempo?; la razón principal es que a diferencia 
de los crudos livianos, los crudos pesados y extra pesados son mucho más viscosos, por lo cual el 
procedimiento  de  extracción,  refinación,  y  transporte  es  mucho  más  costoso.  Esta  idea  volvió 
inatractivo  la  explotación  de  los  crudos  pesados  y  extra  pesados  en  el  auge  de  la  industria 
petrolera, pues era mucho más rentable explotar otros tipos de crudo.  

Actualmente existe gran interés por la explotación de crudos pesados y extra pesados para dar fin 
a  la  idea  de  una  crisis  energética;  sin  embargo  existen  diferentes  problemáticas  que  limitan  el 
proceso. Una de estas problemáticas tiene que ver con el transporte de este tipo de crudos bajo la 
modalidad del bombeo a través de un sistema de oleoductos; dado que este tipo de crudos son 
demasiado  viscosos,  oponen  mucha  resistencia  al  bombeo,  por  lo  cual    se  vuelve  necesaria  la 
utilización de gran cantidad de energía volviéndolo un proceso poco rentable e ineficiente.  

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A  lo  largo  del  tiempo  se  han  desarrollado  diferentes  mecanismos  mediante  los  cuales  se  busca 
facilitar  el  bombeo  de  los  curdos  pesados  y  extra  pesados.  Actualmente  existen  diferentes 
metodologías  que  permiten  disminuir  la  energía  de  bombeo,  pero  un  tipo  de  mecanismo  en 
especial  ha  tomado  fuerza  en  los  últimos  años,  se  le  denomina  Agentes  Reductores  de  Arrastre 
(DRA por sus siglas en inglés), y hacen referencia a la inyección de sustancias naturales o sintéticas 
al  flujo  en  tuberías  presurizadas  (oleoductos),  con  el  fin  de  atenuar  las  estructuras  turbulentas, 
disminuyendo así las pérdidas por fricción y por ende la energía necesaria para el bombeo. 

En el presente proyecto de grado se entenderá el comportamiento de los Agentes Reductores de 
Arrastre, utilizados para facilitar el bombeo de crudos pesados y extra pesados. De igual forma se 
indagará  sobre  los  diferentes  mecanismos  a  través  de  los  cuales  es  posible  la  atenuación  de  las 
estructuras turbulentas en el flujo presurizado de tuberías, y se analizará la viabilidad de aplicación 
de los Agentes Reductores de Arrastre en la industria petrolera de Colombia. 

Se iniciará con un recorrido mundial del estado de las reservas de crudo, lugares de explotación y 
cantidad  de  producción,  con  el  fin  de  hacerse  a  la  idea  de  un  panorama  real  de  la  industria 
petrolera mundial. 

Posteriormente  se  mostrarán  y  explicarán  las  diferentes  técnicas  tradicionales,  empleadas  para 
reducir los efectos de la viscosidad en el bombeo de crudos pesados, antes de la aparición de los 
Agentes Reductores de Arrastre. Se plantearán las ventajas y desventajas de dichas técnicas. 

Luego se hará una revisión bibliográfica sobre el estado de los Agentes Reductores de Arrastre a 
nivel  mundial,  aclarando  los  mecanismos  mediante  los  cuales  es  posible  la  atenuación  de  las 
estructuras turbulentas, las variables que determinan el comportamiento y desempeño en el flujo, 
las  metodologías  de  inyección  al  flujo  y  las  eficiencias  obtenidas.  Esto  se  fundamentará  sobre 
ensayos  experimentales  encontrados  en  la  literatura,  que  se  conocen  fueron  realizados  por 
diferentes autores conocedores del tema. 

Finalmente  se  realizará  una  comparación  de  la  viabilidad,  desde  el  punto  de  vista  técnico  y 
económico    de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre, con  un  enfoque  a  la  industria  petrolera    de 
Colombia. 

 

 

 

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2.  Objetivos 

2.1. Objetivo General 

Entender y comparar el comportamiento de los Agentes Reductores de Arrastre, utilizados en la 
industria petrolera para facilitar el bombeo de crudos pesados.  

2.2. Objetivos Específicos 

Los  objetivos  nombrados  a  continuación  son  parte  de  una  metodología  que  busca  cumplir  a 
cabalidad el objetivo general: 

 

Entender  el  entorno  de  la  industria  petrolera  y  sus  necesidades  actuales,  bajo  la  
problemática  del  constante  agotamiento  de  los  recursos  energéticos  y  la  reciente 
explotación de nuevos recursos tales como los crudos pesados y extra pesados. 

 

Observar la distribución mundial de las fuentes de crudo pesado y extra pesado, además 
de las cifras que hacen atractiva la explotación de estos tipos de crudo. 

 

Conocer  la composición general de  los  crudos pesados y extra pesados y  sus diferencias 
respecto a los crudos livianos, con el fin de entender la razón de su compleja explotación y 
las dificultades que genera en el transporte a través del sistema de oleoductos. 

 

Indagar    sobre  las  diferentes  metodologías  tradicionales  utilizadas  para  el  bombeo  de 
crudos pesados a través de oleoductos, analizando las ventajas, desventajas y eficiencia de 
la implementación de las mismas. 

 

Comprender los distintos fenómenos que ocurren a nivel de flujo durante el transporte de 
los  crudos  pesados  y  extra  pesados  a  lo  largo  de  un  oleoducto,  haciendo  énfasis  en 
aquellos que representan altas pérdidas de presión al sistema. 

 

Conocer  la  clasificación  y  composición  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre  utilizados 
para  facilitar  el  bombeo  de  crudos  pesados  y  extra  pesados  en  la  industria  petrolera 
actual, a nivel mundial. 

 

Evaluar  las  características  y  el  funcionamiento  de  los  agentes  reductores  de  arrastre  
cuando son sometidos al flujo presurizado dentro del sistema de oleoductos. 

 

Conocer  las  variables  que  definen  el  comportamiento  y  la  eficiencia  de  los  Agentes 
Reductores de Arrastre cuando son sometidos al flujo presurizado dentro del sistema de 
oleoductos. 

 

Analizar  y  comprender  los  mecanismos  mediante  los  cuales  los  Agentes  Reductores  de 
Arrastre logran atenuar las diferentes estructuras turbulentas, generando una disminución 
en la disipación de energía.  

 

Identificar  y  comparar  las  ventajas  y  desventajas  en  cuanto  a  costo,  manipulación  y 
eficiencia,  en  el  uso  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre.  Destacando  aquellos  que 
puedan ser empleados en la industria petrolera colombiana. 

 

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3.  Marco teórico 

3.1. Panorama de explotación de crudos pesados y extra pesados a 

nivel mundial 

En  las  últimas  décadas  la  realidad  mundial  ha  sido  impactada  por  los  avances  científicos, 
tecnológicos,  sociales    y  económicos  que  han  permitido  el  desarrollo  de  la  medicina,  las 
comunicaciones, la ingeniería,  la explotación más eficiente de los recursos naturales y exploración 
de fuentes alternativas de energía.  Puede decirse que en general se ha avanzado en el dominio de 
nuevas técnicas y descubrimiento de vías novedosas para solucionar problemas que antiguamente 
afectaban la calidad  y acortaban la esperanza de vida, avances que se reflejan en poblaciones con 
una  esperanza  de  vida  más  larga  y  disminución  notable  de  niveles  de  mortalidad,  por  el  mismo 
mejoramiento de las condiciones de salubridad y saneamiento básico.  

Este  cambio  en  los  niveles  de  vida  que  se  traduce    en  la  prosperidad  de  países  emergentes, 
incorporando  grandes  sectores  poblacionales  a  la  esfera  de  un  consumo  muy  por  encima  de  lo 
histórico,  jalona  una  producción  desmesurada  de  bienes  y  servicios  con  la  que  se  pretende 
satisfacer  la  creciente  demanda  de  estos  sectores  consumistas,  especialmente  urbanos.  Esto 
dispara de forma abusiva la explotación de recursos naturales, hasta el punto de que las Naciones 
Unidas en su informe ambiental de 2011, lanzaron una alerta sobre estos patrones desbocados de 
consumo, consignando lo siguiente: 

 “Con  el  crecimiento  de  la  población  y  la  prosperidad,  especialmente  en  países  en  desarrollo,  la 
expectativa  de  niveles  mucho  más  altos  de  consumo  de  recursos  va  “mucho  más  allá  de  lo 
sostenible”
  si  se  tiene  en  cuenta  que  todos  los  recursos  del  mundo  son  finitos”.

 

 

Igualmente  el  informe  advierte  que    el  mundo  se  está  quedando  sin  fuentes  baratas  y  de  alta 
calidad  de  algunos  materiales  esenciales  como  el  petróleo,  el  cobre  y  el  oro,  cuyos  suministros 
requieren, a su vez, volúmenes, cada vez más altos, de combustibles fósiles y de agua dulce para 
su  producción.  El  párrafo  más  inquietante  de  este  informe  señala  lo  siguiente:  “En  el  2050,  la 
humanidad  podría  devorar  alrededor  de  140  millones  de  toneladas  de  minerales,  combustibles 
fósiles y de biomasa al año, tres veces su apetito actual”. A ese ritmo de consumo se necesitarán 
dos planetas Tierra para atender la demanda creciente. 

Uno de los indicadores de este ritmo de producción y consumo es el de la demanda de energía, el 
cual  remite  a  un  preocupante  panorama  energético.  Según  el  US  Department  of  Energy,  el 
International  Energy  Agency  (IEA)  y  el  World  Energy  Council,  la  demanda  de  energía  primaria 
crecerá alrededor del 66% para el año 2030, un crecimiento promedio de 1.7% anual. No obstante, 
es  de  resaltar  que  en  la  mayoría  de  los  países,  la  principal  fuente  de  energía  primaria  es  el 
petróleo,  como  es  el  caso  de  los  países  de  América  Latina,  para  los  cuales  aproximadamente  el 
43.2%  de  la  energía  primaria  cumple  esta  descripción  (Gráfica  3-1).  Con  base  en  estas 
predicciones, la explotación de crudos pesados y extra pesados surge como una alternativa para 

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suplir esta necesidad; de acuerdo con la IEA la influencia de este tipo de hidrocarburos ha venido 
creciendo desde el inicio del siglo y se prevé que para el año 2030 esta alternativa represente 15% 
de la energía primaria proveniente de recursos petroleros. 

 

Gráfica 3-1. Distribución de fuentes de energía primaria en América Latina. Adaptada de: (González, 2012) 

La  alternativa  de  los  crudos  pesados  responde    al  conocimiento  previo  de  las  amplias  reservas 
situadas a lo largo del globo terráqueo, y la difícil situación de los crudos convencionales, de los 
cuales forman parte  los crudos livianos y medios. Los volúmenes identificados de crudos pesados 
y  extra  pesados  se  estiman  en  4800  Gbbl

1

,  lo  que  equivale  al  total  de  crudos  convencionales 

descubiertos  hasta  la  fecha  (Saniere,  Hénaut,  &  Arguilier,  2004)  .  Aunque  existe  pleno 
conocimiento de las importantes reservas de este tipo de crudos, tan solo entre el 1% y el 2% del 
volumen  ha  sido  explotado    (Gráfica  3-2);  esto  se  debe  a  que  la  explotación  de  este  fluido 
altamente viscoso requiere de una alta inversión debido a que el costo directo de su explotación 
es el doble del costo de un fluido convencional (crudos livianos y medianos).  

 

Gráfica 3-2. Distribución de los recursos petroleros identificados hasta el 2003. Adaptada de: (Saniere, Hénaut, & 

Arguilier, 2004). 

                                                           

1

 Unidad de medida de reservas correspondiente a Millones de Barriles. 

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3.2. Distribución mundial de crudos pesados y extra pesados 

De las reservas de crudos pesados y extra pesados,  el 87% corresponde a crudos extra pesados y 
bitumen; las mayores reservas, aproximadamente el 78%,  se encuentran en Latinoamérica, Norte 
América  y  Asia  occidental.  Esta  distribución  convierte  a  América  en  el  mayor  aportante  a  la 
producción  de  crudos  pesados,  principalmente    Canadá,  Venezuela,  Estados  Unidos  y  México, 
cuatro  países  que  concentran  aproximadamente  el  60%  de  la  producción  mundial  de  crudos 
pesados y extra pesados, el equivalente al 4.2% de la producción mundial total de crudos (Figura 
3-1). 
  

La  situación  antes  descrita  resume  el  panorama  mundial  de  la  explotación  actual  de  crudos, 
situación  que  difiere  del  caso  particular  de  la  industria  petrolera  colombiana  en  el  presente, 
panorama  que a continuación se relaciona.  

 

Figura 3-1. Distribución geográfica de crudos pesados, extra pesados y bitumen. Adaptada de: (Saniere, Hénaut, & 

Arguilier, 2004). 

3.3. Panorama colombiano de explotación de crudos pesados y extra 

pesados  

Colombia  es  el  cuarto  país  productor  de  petróleo  de  América  latina,    después  de  Venezuela, 
México y Brasil;  casi el 42% de su energía primaria es extraída de este producto. En los últimos 
años la producción de petróleo se ha incrementado, respondiendo a factores como el estímulo a la 
inversión  extranjera  en  el  sector  petrolero  y  el  impulso  que  generó  la  creación  de  la  Agencia 
Nacional de Hidrocarburos (ANH) en  2004. Precisamente a partir de 2004 se da   la recuperación 
lenta pero sostenida de la producción petrolera, aunque los volúmenes siguen estando por debajo 

 

 

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del  pico  alto  que  significó el  año  1999  (838  Kbpd

2

)  (Gráfica  3-3),  año  al  cual  siguió  un  lustro  de 

reducción significativa de la producción (1999-2004). 

 

Gráfica 3-3. Producción de crudo en Colombia (KBPD). Adaptada de: (Cámara Colombiana de Servicios Petroleros, 

2009). 

En  Colombia    se  están  explotando  7  cuencas  sedimentarias  de  las  23  existentes,  siendo    las 
cuencas  de  los  Llanos  Orientales  y  del  Valle  Medio  del  Magdalena  las  principales  productoras, 
aportando    alrededor  del  80%  de  la  producción  total  nacional  (Cámara  Colombiana  de  Servicios 
Petroleros,  2009).  En  la  siguiente  tabla  se  muestran  las  7  cuencas  sedimentarias  y  sus 
producciones para el año 2009: 

Tabla 3-1. Producción por cuenca y su participación total nacional. Adaptada de: (Cámara Colombiana de Servicios 

Petroleros, 2009). 

 

                                                           

2

 Unidad de medida de producción petrolera que significa miles de barriles diarios. 

 

AÑO

 

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A  lo  largo  de  las  cuencas  colombianas  existe  gran  diversidad  de  crudos,  desde  crudos  livianos 
hasta  extra  pesados  y  bitumen,  esta  clasificación  depende  de  la  gravedad  API

3

.  Los  crudos 

encontrados en estas cuencas varía desde los 63° API (Liviano), crudo hallado en el campo Cerro 
Gordo,  el  cual  se  encuentra  ubicado  en  la  cuenca  Catatumbo  en  el  departamento  de  Norte  de 
Santander, hasta los 0,92° API (Bitumen), crudo hallado en el campo Valdivia-Almagro, el cual está 
en explotación y está ubicado en la cuenca de los Llanos Orientales en el departamento del Meta 
(Cámara Colombiana de Servicios Petroleros, 2009). 

Los indicadores más recientes expuestos por Ecopetrol corresponden a 2011, año para el cual se 
estaban  produciendo  914  Kbpd,  lo  que  corresponde  a  un  incremento  en  la  producción  del  30% 
respecto  al  año  2009,  y  un  incremento  histórico  del  9.1%  respecto  a  la  mayor  producción 
registrada en Colombia correspondiente al año 1999. Parte de este crudo producido se exporta, y 
parte  se  refina  para  extraer  derivados  como  gasolina,  lubricantes  y  asfaltos  entre  otros.  Para  el 
año 2011 Ecopetrol refinaba 302,8 Kbpd, equivalente al 33% del crudo producido, el otro 77% era 
transportado a través  del sistema de oleoductos  colombiano (Ilustración 3-1) hasta el puerto de 
Coveñas.   

 

Ilustración 3-1. Red de Oleoductos Colombiano. Fuente: Ecopetrol. 

                                                           

3

 American Petroleum Institute: medida de densidad que en comparación con el agua precisa cuan pesado es 

el petróleo. 

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La configuración del crudo producido ha cambiado en los últimos años, presentando disminución  
en  la  extracción  de  crudos  livianos  mientras  que  la  de  crudos  pesados  se  ha  incrementado, 
manteniéndose  constante  la  extracción  de  crudos  medianos.  En  términos  cuantitativos,  los 
promedios de explotación de crudos en las tres categorías, presenta los siguientes porcentajes en 
los últimos años: livianos 25%, medianos 35,3%, pesados y extra pesados 39%. La producción de 
petróleo según el tipo de crudo se puede apreciar en la siguiente gráfica: 

 

Gráfica 3-4. Producción de petróleo según el tipo de crudo. Adaptada de: (Cámara Colombiana de Servicios Petroleros, 

2009). 

Considerando    el  peso  que  tiene  el  incremento  a  nivel  mundial  de  la  explotación  de  crudos 
pesados  y  extra  pesados,  y  la  importancia  que  representan  los  hidrocarburos  como  la  principal 
fuente de energía primaria, es necesario entender la clasificación y composición de estos tipos de 
crudos y su relación directa con  los costos de explotación y transporte; a continuación se presenta 
un capítulo dedicado a este fin. 

3.4. Composición y clasificación de crudos  

El petróleo, también llamado crudo, es una mezcla homogénea generalmente en estado líquido, 
compuesta  principalmente  por  hidrocarburos  solubles  en  agua,  compuestos  orgánicos,  oxígeno, 
metales, sedimentos inorgánicos y agua entre otros elementos. 

Los principales constituyentes del crudo son el carbono e hidrógeno (82-86% del peso total), con 
pequeñas  cantidades  de  Sulfuro  (0.1-8%  del  peso  total),  Nitrógeno  (0.1-1%  del  peso  total)  y 
Oxígeno  (0.1-35  del  peso  total),  además  de  algunos  elementos  como  el  Vanadio,  Níquel,  Hierro 
que  se  presentan  en  partes  por  millón  (SPEIGHT,  2002).  Elementos  como  el  Sulfuro  son 
considerados  importantes  en  el  proceso  de  refinación,  mientras  que  otros  como  nitrógeno  y 
algunos metales tienen efectos perjudiciales en los catalizadores del mismo proceso y deben  ser 
tenidos en cuenta. 

 

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La  composición  y  propiedades  del  petróleo  sufren  variaciones  dependiendo  del  lugar  y  la 
profundidad de extracción. Esto se debe a que la mezcla de hidrocarburos es bastante compleja, 
ya que muchos hidrocarburos, como las parafinas, naftenos e hidrocarburos aromáticos, pueden 
estar unidos en una misma molécula. Estas diferencias en los arreglos de hidrocarburos hacen que 
se  creen variaciones en la apariencia física, la composición química y la viscosidad del fluido. Se 
debe resaltar que la mezcla de hidrocarburos se ve afectada por las características del medio en 
que se encuentran y la profundidad a la que se encuentra el fluido.  

Los cambios en las mezclas de hidrocarburo vuelven más complejo el proceso de refinamiento, ya 
que este depende del rango de ebullición  del crudo, el cual a su vez varía a consecuencia de los 
cambios nombrados. En este orden de ideas el proceso de refinamiento cambia dependiendo de la 
composición  y  propiedades  del  crudo,  pues  es  necesario  recalcular  el  rango  de  ebullición  y  las 
respectivas temperaturas para las cuales es efectiva la extracción de los diferentes derivados, por 
medio de la destilación. 

Las  variaciones  en  la  composición  del  crudo,  permiten  su  clasificación  desde  dos  puntos 
diferentes: clasificación por composición química y clasificación según viscosidad y gravedad API°. 

3.4.1.  Clasificación por composición química 

Los  crudos  se  pueden  clasificar  de  acuerdo  con  su  composición  porcentual  de  moléculas  de 
Parafina,  Naftenos,  hidrocarburos  Aromáticos,  Ceras  y  moléculas  de  Asfalteno.  Esto  se  logra 
mediante un análisis de la composición química obtenida para el residuo derivado del proceso de 
destilación.  

En el proceso de destilación se incrementa  gradualmente la temperatura, obteniendo diferentes 
derivados; sin embargo existe un punto para el cual, sin importar el aumento de la temperatura, 
no  se  seguirán  obteniendo  dichos  derivados,  por  lo  cual  el  proceso  de  destilación  culmina  y  se 
obtiene cierto residuo. El residuo obtenido se analiza con el fin de conocer la composición química 
porcentual  de  las  moléculas  ya  mencionadas.  Para  garantizar  la  culminación  del  proceso  de 
destilación, las muestras de crudo se analizan después de ser sometidas a temperaturas mayores a 
los  250°C.  En  la  Tabla  3-2  se  muestran  las  posibles  clasificaciones  por  composición  química  con 
base en el proceso mencionado. 

Tabla 3-2. Clasificación por composición química. Adaptada de: (SPEIGHT, 2002) 

 

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La metodología anterior presenta dificultades para crudos cuyo punto de ebullición se encuentre 
por  encima  de  200°C,  ya  que  para  este  tipo  de  crudos,  a  una  temperatura  de  250-300°C,  las 
moléculas  mencionadas  no  se  encuentran  aisladas,  lo  que  hace  imposible  establecer  una 
composición porcentual. Por esta razón la información química debe establecerse con base en un 
índice de correlación (CI), el cual está dado por la siguiente relación: 

 

                        

      

 

 

 

Ecuación 3-1. Índice de correlación para clasificación 

química. 

 

 

donde   es la gravedad especifica y   es la temperatura en grados Kelvin del punto de ebullición, 
determinada mediante el método de destilación estándar (ASTM D-86, ASTM D-1160). 

Para valores de CI de 0 a 15, existe predominio de hidrocarburos Alcanos o Parafinas, entonces el 
crudo se clasifica como Parafínico. Para valores de 15 hasta 50 existe predominio de Naftenos o 
mezclas  entre  Naftenos,  Parafinas  e  hidrocarburos  Aromáticos,  entonces  el  crudo  podría 
clasificarse  como  Nafténico  o  como  Parafínico  –  Nafténico  –  Aromático.  Para  valores  de  CI 
superiores  a  50  el  crudo  se  clasifica  como  Aromático  debido  al  predominio  de  este  tipo  de 
hidrocarburos. 

3.4.2.  Clasificación según viscosidad y gravedad API° 

La gravedad API° es una propiedad física de los crudos, que mide que tanto pesa el crudo con base 
en el peso del agua; su medida son los grados API. Es una propiedad que tiene cierta similitud con 
la gravedad específica, no obstante se diferencian en que la gravedad API° es única para cada tipo 
de crudo, mientras que la gravedad específica dado que relaciona densidades, varía respecto a la 
temperatura,  por  lo  cual  para  un  tipo  de  crudo  existen  diferentes  gravedades  específicas.  La 
relación que permite obtener la gravedad API° es la siguiente: 

      

     

  (      )

        

 

Ecuación 3-2. Gravedad API° 

 

donde   (      ) es la gravedad especifica medida a 15.5°C. 

Esta  propiedad  además  de  ser  útil  para  la  clasificación  de  los  crudos,  permite  la  conversión  de 
volúmenes  medidos,  a  volúmenes  en  una  temperatura  estándar  de  15.5°C,  lo  que  permite 
establecer la densidad del mismo. 

Por otra parte, la viscosidad dinámica es una propiedad que permite medir que tanta resistencia 
opone  cierto  fluido  a  su  propio  flujo.  Esta  propiedad  se  debe  al  rozamiento  de  las  capas 

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adyacentes  de  fluido, al  ser  sometidas  al movimiento.  En  estado  de  reposo  no  existe  viscosidad 
dinámica, ya que no actúan fuerzas sobre las cuales se exista una oposición. 

Estas propiedades (Gravedad API° y Viscosidad Dinámica), permiten la clasificación del crudo en 5 
tipos diferentes: 

 

Ilustración 3-2. Clasificación según viscosidad y gravedad API°. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

De los tipos de crudo mostrados en la ilustración anterior, tan solo los Crudos Livianos se explotan 
actualmente a nivel mundial. La explotación y transporte de los otros tipos de crudo implica una 
mayor inversión, lo que los hace inatractivos. 

3.5. Viscosidad 

Un fluido debe su capacidad de flujo y deformabilidad a las fuerzas de cohesión de las moléculas 
que  lo  componen.  La  viscosidad  es  una  propiedad  física  de  los  fluidos  que  hace  referencia    a  la 
resistencia  que  oponen  al  ser  deformados  tangencialmente  cuando  son  sometidos  a  esfuerzos 
cortantes.  Esta  propiedad es  posible  gracias  al rozamiento entre  las capas  adyacentes  de  fluido; 
entre  mayor  sea  la  viscosidad,  más  limitado  es  el  movimiento  de  una  capa  respecto  a  la  otra, 
asemejándose  a un sólido. 

La  definición  anterior  hace  referencia  a  la  viscosidad  dinámica  o  absoluta  y  está  dada  por  la 
siguiente relación, basada en las ecuaciones de Poisuille y Stokes: 

 

   

         

 

   

         

 

 

Ecuación 3-3. Viscosidad Dinámica. 

 

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donde     es  el  volumen  de  un  líquido  con  viscosidad  dinámica     que  tarda  un  tiempo    en 
atravesar un tubo capilar de radio   y longitud   al ser sometido a una presión  . 

Existe otro tipo de viscosidad denominado viscosidad cinemática, y hace referencia a que tanto se 
opone un fluido a su deformación tangencial eliminando las fuerzas provocadas por la densidad. 
Para  entender  mejor  el  concepto  imagínese  dos  fluidos  con  igual  viscosidad  absoluta  fluyendo 
verticalmente a través de dos tubos capilares iguales, el fluido que tenga mayor densidad va a fluir 
más rápido debido a que tiene un mayor peso por unidad de volumen, por lo cual va a tener una 
menor  viscosidad  cinemática.  La  medida  de  este  tipo  de  viscosidad  se  obtiene  de  la  siguiente 
manera: 

   

 
 

 

Ecuación 3-4. Viscosidad Cinemática. 

 

 

donde   es la densidad de un fluido con viscosidad cinemática  . 

Es  importante resaltar que las viscosidades explicadas solo existen en fluidos en  movimiento, ya 
que es en el movimiento cuando son sometidos a fuerzas cortantes que generan deformaciones 
tangenciales. En el reposo no actúan fuerzas a las cuales los fluidos deban oponerse. 

3.6. Turbulencia y escalas de medición  

La turbulencia es el término que se relaciona con aparente errático movimiento de remolinos del 
fluido transportado y las pulsaciones aleatorias del flujo (Bohórquez, 2012). Dicho movimiento es 
generado  por  microestructuras  turbulentas,  que  secuencialmente  y  en  una  combinación  de 
eventos,  generan  fluctuaciones  anisotrópicas  de  velocidad  tanto  en  el  sentido  del  flujo  como 
perpendicular  a  este,  las  cuales  impulsan  eyecciones  de  fluido  que  permiten  la  disipación  de 
energía, al mismo tiempo que se generan movimientos de fluido en dirección opuesta que suplen 
el espacio generado por dichas eyecciones. 

También puede definirse la turbulencia como el comportamiento caótico del flujo a consecuencia 
de  los  cambios  aleatorios  en  las  magnitudes  de  velocidad  del  fluido  comprendido  en  la  región 
turbulenta. 

A  consecuencia  de  que  la turbulencia  se  genera a  escalas  comparables con el espesor  de  la  sub 
capa  laminar  viscosa,  es  necesario  establecer  escalas  de  medición  que  permitan  su  estudio.  La 
escala  más  importante  en  el  estudio  de  la  turbulencia  se  denomina  “unidades  de  pared”  (Wall 
Units en inglés), y permite establecer la distancia desde la pared sólida (medida en unidades  de 
pared). Esta es una escala adimensional, su definición se presenta en la Ecuación 3-5. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ecuación 3-5. Distancia desde la pared medida en 

"Unidades de Pared". 

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donde     es  la  distancia  real  desde  la  pared  de  la  tubería  y   

 

  hace  referencia  a  la  escala  de 

longitud viscosa dada por la siguiente ecuación: 

 

 

 

 

 

  

 

Ecuación 3-6. Escala de longitud viscosa. 

 

En  la  cual     es  la  viscosidad  cinemática  del  fluido  y   

  

  es  la  velocidad  de  corte.  Esta  última 

corresponde  a  la  velocidad  de  fricción  en  la  pared  de  la  tubería,  y  está  dada  por  la  siguiente 
relación: 

 

 

  √

 

 

 

 

Ecuación 3-7. Velocidad de corte. 

 

En esta ecuación  

 

 es el cortante en la pared de la tubería y   es la densidad del fluido. 

La  escala  de  “Unidades  de  Pared”  al  ser  adimensional,  permite  analizar  la  turbulencia  para 
cualquier condición de flujo y de fluido, es decir, para cualquier número de Reynolds y viscosidad 
cinemática.  De  igual  forma  permite  un  análisis  para  cualquier  sistema  de  cualquier  dimensión  y 
condición. 

Entendida  la  escala  de  medición  para  la  distancia  desde  la  pared  de  la  tubería,  es  posible 
establecer  las  diferentes  zonas  de  flujo  desarrolladas  a  consecuencia  de  la  interacción  flujo  – 
pared, para un régimen de flujo turbulento: 

Tabla 3-3. Zonas de flujo medidas en términos de "Unidades de Pared" para el régimen de flujo turbulento. Adaptada 

de: (Bohórquez, 2012). 

 

Es  importante entender  las  zonas  de  flujo  y  su  respectiva  localización,  con  el fin  de  entender  la 
manera como actúan los Agentes Reductores de Arrastre (tema principal del presente proyecto de 
grado) cuando sean explicados en el Capítulo 5. 

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3.7. Reducción de arrastre 

La  reducción  de  arrastre  es  el  término  que  hace  referencia  a  la  disminución  en  la  disipación  de 
energía, a consecuencia de la atenuación de las estructuras turbulentas, generada por la inyección 
de materiales naturales o sintéticos al flujo en tuberías presurizadas. Autores como Savins, definen 
este término como un incremento en la bombeabilidad de un fluido, generado por la adición de 
material al mismo, o de manera inversa, una disminución en los gradientes de presión para una 
tasa constante de flujo, generada por la adición de material. 

Patterson  de  forma  similar  se  refiere  a  la  reducción  de  arrastre  como  una  disminución  en  el 
comportamiento viscoso de un fluido en movimiento, lo que significa que para cierta velocidad de 
flujo,    un  fluido  bajo  la  adición  de  sustancias  requiere  un  menor  gradiente  de  presión  para  su 
movimiento, que si se tuviese el mismo fluido sin la adición de sustancias. 

Es posible cuantificar de manera porcentual la reducción de arrastre en un flujo, al comparar los 
comportamientos  del  flujo  con  adición  de  sustancias  y  sin  adición  de  sustancias.  Dicha 
comparación  puede  realizarse  de  varias  formas,  todas  son  igualmente  válidas  y  se  utilizan  de 
acuerdo con la conveniencia del montaje realizado o a las mediciones hechas. 

Se puede obtener una medida de reducción de arrastre al comparar los factores de fricción para 
un escenario sin adición de sustancias (escenario base) y un escenario con adición de sustancias, 
de la siguiente manera: 

  ( )  

 

    

   

  

 

    

 

 

Ecuación 3-8. Reducción de Arrastre bajo la comparación 

de factores de fricción. 

 

donde   ( ) es la reducción de arrastre porcentual,  

    

 es el factor de fricción en el escenario 

base y  

  

 es el factor de fricción en un escenario de adición de sustancias. 

De igual forma, se puede obtener una medida de reducción de arrastre al comparar las diferencias 
en las pérdidas de presión a lo largo de un tramo seleccionado, para los escenarios ya descritos, de 
la siguiente manera: 

  ( )  

  

    

    

  

  

    

 

 

Ecuación 3-9. Reducción de Arrastre bajo la comparación 

de las pérdidas de presión. 

 

donde   

    

  correponde  a las pérdidas de  presión para el tramo seleccionado en un escenario 

base y   

  

 equivale a las pérdidas de presión para el mismo tramo en un escenario de adición de 

sustancias. 

Por último, es posible calcular un porcentaje de  reducción de arrastre  al comparar los esfuerzos 
cortantes en la pared de la tubería para ambos escenarios. 

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  ( )      

 

  

 

    

 

 

Ecuación 3-10. Reducción de Arrastre bajo la 

comparación de esfuerzos cortantes en la pared de la 

tubería. 

 

donde  

    

 es el esfuerzo en la pared de la tubería para el escenario base y  

  

 es el esfuerzo en 

la pared de la tubería para el escenario de adición de sustancias. 

La  precisión  con  que  se  calcule  la  reducción  de  arrastre,  radica  en  las  facilidades  técnicas  que 
permitan  la  medición  de  las  variables  necesarias  en  el  método  de  cálculo  seleccionado.  Por 
ejemplo,  se  debería  considerar  el  cálculo  de    ( )  mediante  la  Ecuación  3-9,  si  se  tuviesen 
elementos técnicos como piezómetros, que garanticen una medida acertada de las presiones en el 
punto inicial y final del tramo seleccionado para ambos escenarios, para así obtener un resultado 
confiable.  

4.  Métodos de transporte 

Dada  la  característica  viscosa  de  los  crudos  pesados  y  extra  pesados,  su  transporte  no  es  tarea 
fácil, ya que constantemente se ve limitado por la cantidad de energía necesaria para su bombeo a 
través de oleoductos y el costo de inversión y ejecución que esto implica; incluso hay ocasiones  en 
que es mucho más barato transportar el crudo en carro -tanques a través de la infraestructura vial 
que  hacerlo  mediante  el  bombeo  en  un  sistema  de  oleoductos.  Para  responder  a  esta 
problemática se han desarrollado metodologías que mediante la alteración del estado natural del 
crudo  facilitan  su  bombeo  y  disminuyen  los  costos  del  mismo.  El  objetivo  de  estos  procesos  es 
disminuir  o  inhibir  la  característica  viscosa  del  fluido  y  de  esta  manera  evitar  su  resistencia  al 
bombeo.  Las  metodologías  tradicionales  utilizadas  son:  Precalentamiento  del  crudo,  Dilución, 
Refinamiento previo, Emulsión y Flujo anular. Serán explicadas a continuación de forma resumida, 
haciendo la salvedad de que es un tema complejo que se sale del alcance de este proyecto. 

4.1. Precalentamiento del Crudo 

Las  altas  viscosidades  de  los  crudos  pesados  se  atribuyen  al  alto  peso  molecular  de  sus 
componentes, los cuales a bajas temperaturas se enredan entre sí, y  a la formación de estructuras 
ordenadas en la fase líquida (Bemani, Basma, Yaghi, & ali, 2010).  

El calentamiento de los crudos pesados permite la destrucción de las estructuras ordenadas en la 
fase  líquida,  provocando  la  agitación  de  las  moléculas  y  la  extensión  de  las  distancias 
intermoleculares, disminuyendo la fricción  entre  las capas de  fluido y por ende la viscosidad del 
mismo. En este orden de ideas se afirma que la viscosidad es una propiedad física estrechamente 
relacionada con la temperatura instantánea del fluido (Gráfica 4-1). Sin embargo la relación entre 
temperatura y viscosidad es de carácter logarítmico, y depende de cada fluido en especial, por lo 
cual es necesario determinar dicha relación para cada tipo de crudo. La metodología estándar para 
el cálculo de la función que relaciona temperatura y viscosidad se explica en la norma ASTM D 341. 

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Gráfica 4-1. Efecto de la temperatura en la viscosidad de los crudos pesados. Adaptada de: (Bemani, Basma, Yaghi, & 

ali, 2010). 

El método del precalentamiento del crudo consiste en aumentar la temperatura del crudo en las 
estaciones  de  bombeo,  hasta  cierto  punto  donde  la  viscosidad  es  lo  suficientemente  baja  como 
para  garantizar  la  manejabilidad  y  transporte  del  crudo  a  lo  largo  del  oleoducto.  Mediante  este 
método se logra también disminuir la energía necesaria para el bombeo. 

Esta metodología, aunque es muy usada a nivel mundial, tiene algunos problemas que se deben 
resolver antes de su aplicación. Por una parte existe la problemática de que si el crudo se calienta 
demasiado,  puede  que  cambie  su  estructura  coloidal  y  sus  propiedades  reológicas,  lo  cual 
afectaría directamente la calidad de los productos derivados (Bohórquez, 2012). Por esta razón se 
recomienda calentar el crudo hasta una temperatura máxima de 50°C. Sin embargo en ocasiones 
esta temperatura no es suficiente para permitir el transporte, por lo cual esta metodología debe 
combinarse con otras como la dilución del crudo, la cual se explicará en el siguiente numeral. 

Por otra parte, existen problemas respecto a la infraestructura necesaria, ya que la aplicación de 
este  método  implicaría  sistemas  de  calentamiento  en  las  estaciones  de  bombeo,  además  la 
construcción de dichas estaciones lo suficientemente cerca, garantizando que las pérdidas de calor 
entre tramos no sean suficientes como para comprometer el transporte del crudo. No obstante, 
debido  a  las  altas  temperaturas  del  crudo,  cabe  la  posibilidad  de  que  la  pared  interna  del 
oleoducto presente corrosión. 

Existen variables que deberían ser tenidas en cuenta, como la afección del clima y la expansión del 
crudo debida a la temperatura. La primera debe considerarse, pues normalmente los oleoductos 
se  encuentran  a  la  intemperie,  por  lo  cual  se  ven  afectados  por  un  rango  de  temperaturas 
considerables que podrían afectar los cálculos de las longitudes de los tramos entre estaciones de 

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bombeo.  De  igual  forma  la  expansión  del  crudo  es  una  variable  que  afectaría  el  diseño  del 
oleoducto, en lo que se refiere a los volúmenes de flujo. 

La implementación de este método implica la consideración de las problemáticas evaluadas; de lo 
contrario  se  podrían  obtener  cálculos  hidráulicos  poco  confiables,  o  se  podrían  considerar 
potencias mucho menores que las necesitadas para el bombeo del crudo. 

4.2. Dilución 

La  dilución  es  uno  de  los  métodos  más  antiguos  utilizados  para  facilitar  el  bombeo  de  crudos 
pesados. Su origen se remonta a la década de 1930, y su objetivo radica en disminuir la viscosidad 
de  los  crudos  pesados  hasta  el  punto  en  que  puedan  ser  bombeados  con  facilidad  a  través  del 
oleoducto. 

El  método  consiste  en  la  adición  de    solventes  más  livianos  y  de  menos  viscosidad  (mayor 
gravedad  API)  al  crudo  pesado  a  transportar,  con  el  fin  de  obtener  una  mezcla  de  una  menor 
viscosidad  que  la  del  crudo  original.  De  esta  manera  se  logra  que  el  producto  obtenido  oponga 
menos resistencia al flujo, disminuyendo la energía requerida para el bombeo. 

Generalmente  para  la  dilución  de  crudos  pesados  se  utilizan  solventes  como  Pentanol,  Éter, 
Kerosene,  Nafta  o  crudos  livianos.  La  eficiencia  del  tipo  de  solvente  utilizado  en  la  disminución 
relativa  de  la  viscosidad,  radica  en  la  polaridad  del  mismo  y  las  interacciones  de  los  enlaces  de 
hidrógeno con el grupo hidroxilo de las moléculas de Asfalteno presentes en el crudo (Martínez-
Palou  Rafael,  2010).  A  mayor  polaridad  y  mayor  cantidad  de  enlaces  de  hidrógeno,  mayor  es  la 
eficiencia del solvente utilizado. Esta afirmación destaca el Pentanol y el Éter como los solventes 
más efectivos; sin embargo el Kerosene es el más utilizado en la industria. 

Es  necesario  predeterminar  la  relación  de  mezcla  del  solvente  y  el  crudo  objetivo,  ya  que  en 
ocasiones  se  utilizan  cantidades  de  solvente  mucho  mayores  que  las  necesarias,  o  el  efecto 
contrario,  donde  las  cantidades  de  solvente  utilizadas  no  generan  las  disminuciones  en  la 
viscosidad esperadas. Normalmente las cantidades de solvente utilizadas varían entre 20 y 30% del 
volumen  total  de  la  mezcla,  obteniendo  disminuciones  drásticas  en  la  viscosidad  dinámica  de  la 
mezcla (Gráfica 4-2 y Gráfica 4-3).  

Las mezclas entre crudo y solvente deben ser estudiadas atentamente, pues existe la posibilidad 
de  que  ambos  fluidos  sean  incompatibles.  De  darse  una  incompatibilidad  imprevista,  se  puede 
incurrir  en  la  floculación  de  las moléculas  de  Asfalteno  o  una  cristalización  y  degradación  de  las 
Parafinas presentes en el crudo original. 

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Gráfica 4-2. Comportamiento de la viscosidad del crudo pesado diluido con Kerosene (T=30°). Adaptada de: (Bemani, 

Basma, Yaghi, & ali, 2010). 

 

 

Gráfica 4-3. Comportamiento de la viscosidad del crudo pesado diluido con Crudo Liviano (T=30°). Adaptada de: 

(Bemani, Basma, Yaghi, & ali, 2010). 

En  las  gráficas  anteriores  se  aprecia  claramente  que  las  fracciones  de  solvente  utilizadas  son 
bastante altas. Al tenerse grandes volúmenes de solvente en la mezcla, se afecta directamente la 
viabilidad técnica y económica de este método, pues para transportar cierto volumen de crudo, es 
necesario  adicionar  un  30%  más  de  dicho  volumen  en  solvente,  lo  que  implica  la  necesidad  de 
implementar  oleoductos  con  diámetros  mayores,  limitando  la  aplicabilidad  en  oleoductos 
existentes. 

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Con base en las afirmaciones anteriores, si se utilizara este método, se dejaría de transportar un 
30% en volumen de crudo en un oleoducto existente o sería necesario incrementar el diámetro de 
las  tuberías  de  dicho  oleoducto  con  el  fin  de  transportar  un  mayor  volumen  de  crudo,  lo  que 
implicaría un alto costo de inversión. 

Por otra parte existe el problema sobre qué hacer con el solvente una vez el crudo haya llegado a 
su destino. Existen 2 posibilidades; la primera sería vender el crudo junto con el solvente utilizado; 
sin embargo esta opción implicaría vender la mezcla por un valor menor al que en realidad cuesta, 
ya que  se  tendrían que  restar los costos  del proceso de  separación de  ambos fluidos, los cuales 
correrían por cuenta del comprador. La segunda posibilidad sería separar y reutilizar el solvente, lo 
que significaría un incremento en los costos debido al proceso de separación y la construcción de 
una tubería que transportara de vuelta el solvente utilizado hasta lugar de origen. 

4.3. Refinamiento Previo 

El refinamiento previo, también conocido como Actualización IN SITU es un mecanismo destinado 
a crudos extra pesados y Bitumen, que busca mediante diferentes procesos, refinar parcialmente 
este  tipo  de  crudos  en  el  lugar  de  extracción,  aumentando  su  gravedad  API  y  disminuyendo  su 
viscosidad  hasta  convertirlos  en  crudos  pesados,  para  posteriormente  mediante  mecanismos 
como la Dilución, Precalentamiento, entre otros, pueda ser transportado a través de un oleoducto. 

Existen  varias  tecnologías  que  permiten  el  refinamiento  previo;  una  de  ellas  es  la  denominada 
Conversión  IN  SITU  o  refinamiento  subterráneo.    Consiste  en  la  inyección  de  vapor,  hidrógeno 
caliente y el aumento de  la temperatura en el pozo con el fin de  convertir los componentes del 
crudo que tienen un mayor punto de ebullición, en componentes con un bajo punto de ebullición, 
volviendo  el  crudo  más  liviano.  Posteriormente  se  extrae  el  crudo,  y  en  superficie  se  separa  la 
parte  más  pesada  y  se  trata,  mientras  que  la  parte  liviana  es  transportada  hacia  el  punto  de 
refinación vía oleoducto. 

Otra metodología de refinamiento IN SITU es la combustión parcial del crudo una vez extraído del 
pozo, la cual genera cambios químicos y físicos que disminuyen la viscosidad del crudo.  

Por  último  existe  una  tecnología  relativamente  nueva  denominada  AQUACONVERSION,  la  cual 
mediante  la  a  inyección  de  vapor  de  agua  y  catalizadores  busca  romper  los  enlaces  carbono  –
carbono, generando moléculas de Parafina y Olefinas más pequeñas, permitiendo una disminución 
en la viscosidad del crudo. 

4.4. Flujo Anular 

El Flujo Anular es una de las metodologías para el transporte de crudos pesados más atractivas en 
la  industria.  A  diferencia  de  los  métodos  vistos  hasta  el  momento,  el  Flujo  Anular  no  busca 
disminuir  la  viscosidad  del  crudo  hasta  el  punto  en  que  sea  posible  su  transporte.  Este  método 
busca crear un escenario en donde el crudo se encuentre concentrado en un núcleo rodeado por 
una pequeña película de agua que impida el contacto entre el crudo de alta viscosidad y la pared 

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Sebastián Aguas Lozano   

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interna de la tubería. Esto con el fin de que la capa de agua actúe como un lubricante sobre el cual 
se  darán  todos  los  efectos  de  la  interacción  flujo  –  pared  sólida,  es  decir,  de  esta  manera  se 
garantiza que  los efectos del cortante  en la pared de  la tubería alteren un fluido menos viscoso 
(agua),  por  lo  cual  se  logra  disminuir  la  presión  necesaria  para  el  bombeo  hasta  casi  la  presión 
necesaria para bombear agua a través del oleoducto. 

 

Ilustración 4-1. Flujo Anular. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

Este fenómeno es posible gracias a la naturaleza del agua de migrar hacia las regiones   de  mayor 
esfuerzo cortante, en este caso la pared de la tubería (Bai, Chen, & Renardy, 1997). Sin embargo, 
este método se caracteriza por su alta inestabilidad.  

Dado  que  el  Flujo  Anular  es  un  flujo  de  dos  fases,  y  ambas  fases  se  caracterizan  por  tener 
diferentes  viscosidades,  es  común  que  se  generen  velocidades  relativas  entre  ambas,  lo  que 
provoca que el Flujo Anular no sea perfecto. Se pueden generar diferentes fenómenos ondulares 
(Ilustración  4-2)  que  le  permiten  al  crudo  alcanzar  la  pared  de  la  tubería  y  depositarse  como 
pequeños sedimentos adheridos, que no pueden ser removidos por la acción del flujo debido a la 
alta  viscosidad  de  los  mismos  (Ilustración  4-3).  La  acción  repetitiva  de  este  fenómeno  genera 
obstrucciones y atascamientos en la tubería que pueden comprometer el transporte del crudo. 

 

Ilustración 4-2. Flujos Anulares inestables. Adaptada de: (Gosh, Mandal, Das, & Das, 2008). 

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Ilustración 4-3. Deposición de crudo en la pared de la tubería por efecto del Flujo Anular Bambú. Adaptada de: (Bai, 

Chen, & Renardy, 1997). 

Por otra parte, la gran desventaja de esta metodología de transporte es que si se llegase a parar el 
bombeo repentinamente por algún evento extraordinario, cabe la posibilidad de que ocurra una 
estratificación  de  fases,  lo  que  permitiría  la  adhesión  del  crudo  a  la  pared  de  la  tubería 
complicando el reinicio del bombeo. 

4.5. Emulsión 

La  emulsión  es  un  método  tradicional  que  busca  disminuir  la  viscosidad  del  crudo  mediante  la 
generación de gotas dispersivas de agua (emulsión agua en crudo), o de crudo (emulsión crudo en 
agua), estabilizadas con surfactantes (Ilustración 4-4). Siendo el agua un líquido menos viscoso que 
el crudo, facilita el bombeo a lo largo del oleoducto al mezclarse con el crudo. Dada las diferencias 
de  densidades  entre  agua  y  crudo,  es  necesaria  la  aplicación  de  partículas  estabilizadoras 
(surfactantes)  que  impidan  una  separación  en  fases,  evitando  la  disociación  del  flujo  y  la 
posibilidad  de  que  el  agua  se  desplace  a  diferentes  velocidades  con  respecto  al  crudo.  La 
estabilidad de la emulsión está ligada a la firmeza de la capa que recubre las gotas. 

 

Ilustración 4-4. Emulsión Crudo-Agua. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

Siendo el agua y el crudo  fluidos inmiscibles

4

,  las moléculas de estos fluidos se atraen con mayor 

intensidad en la superficie produciendo una fuerza mecánica que se denomina tensión interfacial

5

la  cual  impide  la  mezcla  de  ambos.  La  formación  de  gotas  suspendidas  en  el  fluido  se  logra 
mediante la creación de una capa interfacial circundante capaz de sostener el fluido emulsionado 
(en la ilustración anterior el crudo)  y separarlo del fluido dispersivo (en la ilustración anterior el 
agua).  La  formación  de  la  capa  interfacial  se  logra  mediante  la  acción  de  surfactantes  naturales 
                                                           

4

 Imposibilidad de mezcla homogénea entre dos o más fluidos, como consecuencia se da la formación de 

fases o suspensiones. 

5

 Fuerza mecánica intermolecular  de atracción hacia ejercida sobre las moléculas de la superficie de un 

líquido. 

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originarios  del  crudo,  los  cuales  actúan  como  emulsionantes  naturales  que  se  acumulan  en  la 
interfaz  (crudo  –  agua  o  agua  –  crudo)  de  los  fluidos,  formando  las  gotas  e  impidiendo  la 
coalescencia y la separación en fases (Daaou & Bendedouch, 2011).  

Existen  tres  tipos  de  surfactantes  naturales  presentes  en  el  crudo,  capaces  de  emulsionar  la 
mezcla; estos surfactantes son conocidos como Asfaltenos, Resinas y Ácidos Grasos. Los Asfaltenos 
son  los mayores emulsionantes  naturales;  este  atributo  se  debe  a  su  gran  peso  molecular y  sus 
componentes altamente polares. Por el contrario, las Resinas y Ácidos Grasos no son capaces de 
emulsionar por si solos, por lo cual deben asociarse con los Asfaltenos para lograrlo; en la mayoría 
de los casos estas asociaciones son perjudiciales para la mezcla ya que desestabilizan la emulsión. 
Las  Resinas  particularmente  pueden  solubilizar  los  Asfaltenos  en  el  crudo,  y  en  consecuencia 
prevenirlos de  asociarse  para  formar la capa interfacial afectando  así  la estabilidad  de  la mezcla 
(Daaou & Bendedouch, 2011). Igualmente, los Ácidos Grasos contribuyen a la desestabilización de 
la  mezcla  limitando  su  rango  de  PH  estable,  para  el  cual  PHs  fuera  de  este  rango  podrían  crear 
suficientes fuerzas repulsivas capaces de romper la capa interfacial. 

Los  Asfaltenos  se  definen  como  moléculas  policíclicas  en  forma  de  disco  compuestas  por  varias 
capas de anillos aromáticos

6

 con extremos alifáticos

7

 y varios grupos funcionales (Ilustración 4-5).    

 

Ilustración 4-5. Ejemplos de estructuras moleculares. A) asfalteno (adaptado del residuo del crudo Venezuela para una 

proporción de 510C, INTEVEP SA Tech. Rept, 1992); b) Resina (Athabasta tarsand Bitumen); c) Acido Naptenico. 

Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). 

Las gotas se generan mediante un proceso de absorción, en el cual las moléculas de Asfalteno son 
atraídas  a  la  gota  individualmente,  y  luego  se  unen  a  través  de  su  extremo  alifático  (Ilustración 
4-6)
.  Este  proceso  de  absorción  es  demorado  pero  irreversible.  En  algunas  circunstancias  los 
Asfaltenos son absorbidos en forma de agregados, permitiendo el engrosamiento y solidificación 
de las capas  interfaciales (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004).   

                                                           

6

 Anillo cíclico de seis átomos de carbono con tres enlaces dobles alternados. 

7

 Extremo con cadena abierta de carbonos capaz de originar enlaces simple, doble y triple. 

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Ilustración 4-6. Mecanismo de estabilización de emulsiones: capa de asfáltenos formando una interface crudo/agua. 

Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). 

El ángulo de incidencia ( ) de las moléculas en la gota es el parámetro que caracteriza el tipo de 
emulsión generada (crudo/agua o agua/crudo); este ángulo varia alrededor de 90°, alineación  que 
garantiza la necesidad de una alta cantidad de energía a ser aplicada para el rompimiento de los 
enlaces intermoleculares; por el contrario, si el ángulo de incidencia se alejase de 90° se tendría un 
requerimiento bajo de energía y la emulsión no sería estable. Si         una emulsión crudo/agua 
es formada; si         una emulsion agua/crudo es formada.  

 

Ilustración 4-7. Relación ángulo de incidencia y emulsión formada. Adaptada de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & 

Argilier, 2004).   

Grupo polar funcional

 

Núcleo aromático 

 

Extremo alifático

 

Grupo polar funcional

 

Molécula de Asfalteno

 

Molécula de Resina

 

Crudo

 

Gota de 

 

agua

 

Gota de agua estabilizada

 

Agregado Resina-

 

Asfalteno

 

          Crudo

 

        Crudo

 

           Crudo

 

Agua

 

Agua

 

Agua

 

Arriba: menor a 90° (izq), igual a 90° (centro) y mayor de 90° 
(der).  Abajo:  posición  de  las  partículas  en  la  superficie  de  la 
emulsión.  Para  θ<90°,  formación  de  emulsiones  crudo/agua 
(izq), para θ>90°, formación de emulsiones agua/crudo (der). 

 

 

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Existen varios factores que influyen directamente en la estabilidad de las emulsiones además del 
ángulo  de  incidencia  ( ),  entre  estos  factores  se  encuentra  el  PH  de  la  mezcla,  la  adición  de 
surfactantes erróneos y el esfuerzo cortante al que es sometido el fluido durante su bombeo. 

El PH y la adición de surfactantes erróneos a la mezcla tienen el mismo efecto. Por una parte, el 
efecto negativo  del PH en la estabilidad de la emulsión es atribuido a la ionización de los grupos 
polares  de  la  superficie  interfacial  activa,  la  cual  genera  suficientes  fuerzas  electrostáticamente 
repulsivas para romper la cohesión de la capa interfacial (Daaou & Bendedouch, 2011). Esto ocurre 
siempre y cuando el PH de la mezcla este fuera del rango de estabilidad estipulado. Por otra parte, 
dado  que  los  surfactantes  agregados  a  la  mezcla  son  moléculas  con  un  extremo  polar,  pueden 
tener  los  mismos  efectos  contraproducentes  que  el  PH;  sin  embargo,  por  lo  general  los 
surfactantes  tienen  un  efecto  positivo  en  la  estabilidad  de  la  emulsión,  como  se  explicará  más 
adelante. 
 

Teniendo  en  cuenta    que  la  finalidad  de  la  generación  de  emulsiones  es  facilitar  el  bombeo  de 
crudo a lo largo de un oleoducto mediante la disminución de la viscosidad, es conveniente aclarar 
que  por  más  que    se  intente  disminuir  la  viscosidad  al  máximo,    el  fluido  jamás  logrará 
comportarse como un fluido ideal

8

, y en consecuencia  siempre existirá el efecto del cortante en 

flujo. 

El efecto negativo del cortante sobre la estabilidad de la mezcla se le atribuye a la capacidad de 
rompimiento  de  las capas interfaciales  una  vez  alcanza  magnitudes  considerables.  El esfuerzo  al 
cual son sometidas las gotas  está dado por     donde   es la viscosidad  de las gotas en su fase 
continua, y G es el gradiente de velocidad. A la vez este esfuerzo es contrarrestado por la presión 
de Laplace la cual está dada por     , donde R es el radio de la gota y   la tensión superficial. La 
razón entre estos dos valores es igual a la mitad de la capilaridad de la gota y está dada por: 

    

         

 

 

 

Ecuación 4-1. Capilaridad. 

 

donde    es la capilaridad y corresponde una medida de cohesión y fuerza intermolecular; si esta 
medida  supera  cierta  capilaridad  critica  (       

  

),  la  emulsión  se  vuelve  inestable;  por  el 

contrario,  si  la  magnitud  permanece  bajo  este  límite  (       

  

)  prevalece  la  estabilidad de  la 

emulsión. La capilaridad crítica   

  

 depende de la razón de viscosidades:  

 

   

 

 

 

 

 

Ecuación 4-2. Razón de viscosidades. 

                                                           

8

 Fluido cuya viscosidad es despreciable y su flujo es constante, irrotacional e incompresible.  

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donde  

 

 es la viscosidad de la fase dispersa de las gotas. La relación entre la razón de viscosidades 

( ) y la capilaridad crítica (  

  

) se presenta en la Gráfica 4-4. 

 La mayoría de las emulsiones son estabilizadas mediante la adición de ciertos surfactantes, ya que 
de  alguna  forma,  estos    surfactantes  tienen  un  efecto  positivo  al  incrementar  el  rango  de 
estabilidad de la mezcla, es decir, elevan el valor de la capilaridad crítica y por ende proporcionan 
un mayor rango de estabilidad a la emulsión. 

 

Gráfica 4-4.Capilaridad crítica (línea sólida) para la ruptura de gotas en función de la razón de viscosidades. Adaptada 

de: (Langevin, Poteau, Hénaut, & Argilier, 2004). 

 

La  desestabilización  de  la  emulsión  ocurre  como  un  proceso  dividido  en  tres  fases:  Floculación, 
Coalescencia  y  Sedimentación.  La  Floculación  es  un  proceso  mediante  el  cual  se  aglutinan  las 
gotas. Posterior a la aglutinación se da el proceso de Coalescencia, en el cual las gotas, debido a 
esfuerzos cortantes o de compresión, se fusionan formando gotas de radios mayores. Finalmente, 
debido  al  incremento  en  el  radio  de  las  gotas    y  la  fuerza  de  atracción  gravitacional,  ocurre  la 
Sedimentación  o  separación  de  fases.  La  velocidad  de  sedimentación  es  directamente 
proporcional al radio de la gota y está dada por la siguiente ecuación: 

   

     

 

  ( 

 

   )    

     

 

 

Ecuación 4-3. Velocidad de sedimentación de gotas. 

 

donde  R  hace  referencia  al  radio  de  la  gota,   

 

  densidad  de  la  gota,     densidad  del  fluido  y    

viscosidad del fluido. Se debe tener en cuenta que el proceso de sedimentación solo ocurre, si: 

        

Razón de viscosidades

 

Cap

ilarid

ad

 

Estable

 

Inestable

 

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La mecánica de estos tres fenómenos se sale del alcance de este proyecto. 

La desventaja principal de las emulsiones es la excesiva manipulación de la viscosidad del fluido, 
tal como se puede apreciar en la Gráfica 4-5:  para relaciones crudo – mezcla menores a 0.5 (50% 
de la mezcla equivalente a la cantidad de crudo presente), el fluido deja de comportarse como un 
fluido newtoniano

9

 por lo cual su viscosidad varía según la tasa de aplicación de cortante, situación 

común en el desplazamiento del  crudo a lo largo del oleoducto; de esta manera sería imposible 
obtener mediciones exactas de las potencias de las bombas y la energía necesaria para el bombeo 
de crudo a lo largo del tramo deseado. 

 

Gráfica 4-5.Viscosidad de las emulsiones curdo/agua a diferentes tasas de cortante. Adaptada de: (Langevin, Poteau, 

Hénaut, & Argilier, 2004). 

Dada  la  necesidad  de  refinamiento  posterior  al  transporte  de  crudos,  es  necesaria  la 
implementación  de  procesos  que  permitan  la  separación  de  las  emulsiones.  Procesos  como  la 
demulsificación química, el aumento en la temperatura, adición de solventes que modifican el PH 
y la electrocoalecsencia son los más comunes, pero implican un alto costo a la industria.  

Además de  los métodos tradicionales indagados hasta el momento,  existen diversas alternativas 
que buscan reducir el arrastre con el propósito de disminuir la energía necesaria en el bombeo de 
crudo, mediante la interacción directa con el fenómeno turbulento originado a lo largo del flujo, 
fenómeno  al  cual  se  le  atribuyen  las  mayores  pérdidas  de  presión.  Cabe  aclarar  que  esta  es  la 
mayor  diferencia  respecto  a  los  métodos  estudiados  hasta  el  momento,  los  cuales  persiguen  el 
mismo objetivo en el proceso de   manipulación de la viscosidad del fluido. A estos métodos se les 
conoce como Agentes Reductores de Arrastre, constituyéndose en  el eje central de este proyecto 
de grado. A continuación se presenta todo un capítulo dedicado a su explicación. 

                                                           

9

 Fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. 

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5.   Agentes Reductores de Arrastre (DRAs) 

 

5.1. Descripción general e historia 

Los Agentes Reductores de Arrastre (DRAs por sus siglas en inglés) son todos aquellos materiales 
que mediante la interacción con el flujo son capaces de modificar la estructura y desarrollo de las 
diferentes etapas que dan origen al fenómeno turbulento, evitando así las pérdidas de energía  en 
el  sistema.  Además  de  reducir  las  pérdidas  de  energía,  tiene  entre  sus  fines    incrementar  la 
capacidad del oleoducto, disminuir la potencia de las bombas necesarias para el bombeo y reducir 
el diámetro de la tubería, todo esto con el fin de reducir costos en la industria. 

El origen de  los DRAs se  remonta  al año  1931,  gracias al esfuerzo de  Forrest  y Grierson  quienes 
fueron  los  primeros  en  reportar  la  reducción  en  las  pérdidas  de  energía,  a  partir  de  la 
incorporación de pulpa de madera en el flujo turbulento a lo largo de una tubería de transporte de 
agua.  Posteriormente,    Mysels  investigó  el  efecto  de  los  surfactantes  aniónicos  directamente 
sobre derivados del petróleo, en su caso la gasolina, al adicionarlos y observar cierta reducción de 
arrastre.  Luego,  durante  su  investigación  en  degradación  de  polímeros,  Toms  encontró  que  la 
adición  de  largas  cadenas  poliméricas  (polimetilmetacrilato)  al  flujo  turbulento,  permitían  la 
disminución  en  las  superficies  de  cortante  hasta  un  80%.    Toms  reportó  este  hallazgo  ante  el 
Congreso  Internacional  de  Geología,  en  el  cual  identificaron  este  tipo  de  polímeros  como  los 
primeros en permitir reducción de arrastre y dieron por nombre “efecto Toms” a este fenómeno. 
Posteriormente Savins cambiaría el nombre al fenómeno por “Reducción de Arrastre” y estipularía 
la ecuación principal que permitiría la medición del mismo: 

    

  

  

 

 

 

Ecuación 5-1. Reducción de arrastre. 

 

donde      es  el  gradiente  de  presiones  de  la  solución  y    

 

  es  el  gradiente  de  presiones  del 

solvente. 

De esta manera la reducción de arrastre porcentual se define como: 

      (      )        

 

Ecuación 5-2. Reducción de arrastre porcentual. 

 

La primera aplicación comercial de los DRAs se da en el oleoducto de Alaska en un tramo de 800 
millas desde el norte hasta la ciudad de Valdez en el sur, al cual mediante la aplicación de 1ppm de 
polímeros de alto peso molecular se logró una reducción de arrastre del 80% (Wang, Yu, Zakin, & 
Shi, 2011). 

Después de esta primera aplicación comercial, los agentes reductores de arrastre se han aplicado 
exitosamente en oleoductos como el de Irak – Turquía, Bass Strait en Australia, Mumbai Offshore 
en  la  India  y  North  Sea  Offshore.  Actualmente  la  aplicación  de  DRAs  es  indispensable  para  el 

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transporte  de  recursos  petroleros  vía  oleoductos;  las  industrias  petroleras  cuentan  con  un 
presupuesto  especialmente destinado a la compra y manipulación de estas sustancias.  

La efectividad en la reducción de arrastre debida a la aplicación de DRAs se asocia directamente 
con tres factores importantes: el régimen de flujo, el método de inyección y  la concentración del 
agente. 

Existen  varios  tipos  de  regímenes  de    flujos  que  afectarían  de  manera  positiva  o  negativa  la 
reducción  de  arrastre.  La explicación  de  la  formación  de  estos  regímenes  se  sale  del  alcance  de 
este proyecto pero su influencia en la reducción de arrastre se puede observar en Tabla 5-1.  

Tabla 5-1. Efecto del régimen de flujo en la efectividad de reducción de arrastre. Adaptada de: (Jubran, Zurigat, & 

Goosen, 2005). 

 

Respecto  a  la  influencia  de  la  inyección  en  el  desempeño  de  los  DRAs,  se  afirma  que  si  la 
localización  de  la  inyección  es  corriente  arriba,    la  efectividad  de  la  reducción  disminuye  con  el 
aumento en la velocidad del flujo, mientras que si la localización de la inyección es corriente abajo, 
la efectividad no se ve alterada (Jubran, Zurigat, & Goosen, 2005). 

Para  hablar  del  efecto  de  la  concentración  en  la  efectividad  de  la  reducción  de  arrastre,  es 
necesario  entender  la  clasificación  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  ya  que  las  ventajas y 
desventajas  de  la  concentración  dependen  del  tipo  de  agente  manipulado.  Existen  tres  tipos  de 
Agentes Reductores de Arrastre: Surfactantes, Fibras y Polímeros; a continuación se presenta una 
descripción clara, mecanismos de funcionamiento, eficiencia y composición de cada uno de ellos. 

5.2. Surfactantes 

Los surfactantes se definen como nano estructuras anfifílicas

10

 con un extremo polar hidrofílico y 

un extremo no polar hidrofóbico, conocidos también como “polímeros vivos”, sobrenombre que le 
deben a su capacidad regenerativa tras ser sometidos a altos esfuerzos cortantes.   

Este tipo de moléculas se caracteriza por su capacidad de organización en diferentes estructuras  y  
alta capacidad de reducción de arrastre; existen cuatro tipos de surfactantes capaces de atenuar el 

                                                           

10

 Moléculas que poseen un extremo hidrofílico el cual es soluble en agua y un extremo hidrofóbico el cual 

rechaza el agua. 

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fenómeno turbulento, estos son los surfactantes Aniónicos, Catiónicos, No Iónicos y Anfóteros, los 
cuales serán descritos a continuación. 

5.2.1.  Surfactantes Aniónicos 

Los  surfactantes  aniónicos  son  aquellos  cuyo  extremo  polar  hidrofílico  está  ionizado 
negativamente. Se caracterizan por ser excelentes reductores de arrastre, debido a su estabilidad 
mecánica, pero su uso como tal es limitado, ya que son capaces de formar sales insolubles en agua 
a consecuencia de sus reacciones con iones de calcio y magnesio presentes en este fluido; además, 
su uso se limita también a su tendencia a formar jabones. 

5.2.2.  Surfactantes Catiónicos 

Los  surfactantes  catiónicos  son  aquellos  cuyo  extremo  polar  hidrofílico  esta  ionizado 
positivamente.  Son  los  más  usados  debido  a  su  gran  capacidad  de  reducción  de  arrastre,  su 
imposibilidad de reacción frente a iones de calcio y magnesio, y  el amplio rango de temperaturas 
en  el  cual  pueden  generar  reducción  de  arrastre.  Su  uso  es  cuestionado  debido  a  su  lenta 
degradación  anaeróbica,  cualidad  que    los  hace  sospechosos  frente  a  las  autoridades 
medioambientales. 

5.2.3.  Surfactantes No Iónicos 

Los surfactantes no iónicos son aquellos cuyo extremo hidrofílico es no polar, es decir, poseen un 
extremo  hidrofílico  no  ionizado.    Se  caracterizan  por  su  estabilidad  química  y  rápida 
biodegradabilidad,  pero  su  uso  como  agentes  reductores  es  limitado  en  la  industria  debido  al 
estrecho rango de temperatura para el cual son efectivos. 

5.2.4.  Surfactantes Anfóteros  

Los  surfactantes  anfóteros  son  aquellos  cuyo  extremo  hidrofílico  polar  esta  ionizado  positiva  y 
negativamente. Son los menos  estudiados hasta el momento pero se destacan sus propiedades de 
reducción de arrastre. Sus limitaciones en sus usos como agentes reductores de arrastre se deben 
a  su  elevado  costo  de  producción,  su  escasa  alcalinidad  en  soluciones  acuosas  y  su  alta 
dependencia del PH para permitir reducción de arrastre (posibilidad de DR si PH<9). 

Aunque  existen  varios  tipos  de  surfactantes,  el  mecanismo  de  reducción  de  arrastre  es  común 
para  todos;  en  un  medio  acuoso,  cuando  la  concentración  de  surfactantes    excede  cierto  valor 
crítico,  las moléculas se  reúnen y organizan  perfilando sus extremos polares  hidrofílicos  hacia el 
agua, y sus extremos no polares hidrofóbicos hacia un centro común, con el fin de evitar cualquier 
contacto con el agua, dando así origen a una estructura denominada micela,  la cual mediante la 
interacción con el flujo permite disminuir las pérdidas de energía en el sistema (Wang, Yu, Zakin, & 
Shi, 2011). La formación de estas estructuras es el eje central de la reducción de arrastre mediante 
surfactantes, proceso que  será explicado a continuación. 

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5.2.5.  Formación de Micelas 

Los surfactantes  forman micelas con el fin de minimizar la superficie de contacto entre el agua y el 
crudo. La formación de estas estructuras organizadas se debe al incremento en la concentración 
de  los  surfactantes.  A  medida  que  la  concentración  aumenta  hasta  alcanzar  una  concentración 
crítica  de  formación  de  micelas  (CMC  por  sus  siglas  en  inglés),  las  moléculas  se  ven  obligadas  a 
formar micelas esféricas o elipsoidales.  

Según    Yi  Wang,  al  aumentar  la  concentración  un  poco  más,  las  micelas  se  ven  obligadas  a 
acercarse unas a otras; esto incrementa  la energía en el sistema debido a las fuerzas repulsivas, 
por lo cual para mantener el sistema estable  a un nivel  más  bajo de  energía,  las micelas se ven 
forzadas  a  reorganizarse  en  formas  no  esféricas;  este  ordenamiento  ocurre  cuando  la 
concentración de la mezcla se incrementa hasta llegar a un segundo valor crítico de concentración 
de micelas (   

 

). 

Este tipo de concentraciones se mide en relaciones de molaridad

11

 y varían dependiendo del tipo 

de surfactante manipulado, la sustancia utilizada como contraión y la temperatura de la mezcla. 
Estas variables se explicarán a lo largo del documento.   

El efecto de las concentraciones críticas en la formación de diferentes tipos de micelas se debe a 
dos  fenómenos  importantes:  el  parámetro  de  empaquetado  y  el  número  de  agregación  de  las 
moléculas de surfactante. 

Las  moléculas  al  juntarse,    debido  al  incremento  en  la  concentración,    experimentan  el 
alineamiento  nombrado  anteriormente;    los  extremos  hidrofóbicos  de  las  moléculas  tienden  a 
unirse entre  sí en un punto común minimizando la razón área  – volumen de  la micela, mientras 
que los extremos hidrofílicos polares tienden a interactuar bajo fuerzas repulsivas lo que aumenta 
la  razón  área-  volumen  de  la  molécula  (ver  Ilustración  5-1).  La  forma  de  la  micela  es  originada 
entonces  con  base  en  las  fracciones  hidrofóbicas  e  hidrofílicas  y  está  dada  por  el  parámetro  de 
empaquetado, el cual relaciona el área y volumen de la micela  mediante la siguiente ecuación: 

   

 

     

 

 

Ecuación 5-3. Parámetro de empaquetado de micelas. 

 

donde   es el volumen del grupo hidrofóbico,   es la longitud de este mismo grupo y   es el área 
transversal de grupo hidrofílico. Este parámetro permite clasificar dos tipos de micelas, esféricas y 
cilíndricas.  

Micelas esféricas: 

   

 
 

 

                                                           

11

 También conocida como concentración molar, es una medida de cantidad de soluto por unidad de 

volumen. 

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Micelas cilíndricas:  

 
 

     

 
 

 

 

 

Ilustración 5-1. Micela compuesta por Surfactantes Anfóteros. Fuente: (Autor). 

El número de agregación de las moléculas de surfactante ( 

 

) es la cantidad de monómeros de 

surfactante  formando  una  micela,  y  es  un  parámetro  que  contiene  información  directa  de  la 
geometría de la micela. 

Ying-Bo Zhou sostiene que el incremento en el número de agregación de moléculas de surfactante 
es proporcional al incremento en las concentraciones de surfactantes. Sin embargo, existen zonas 
de  estabilidad para las cuales  el número de  agregación permanece constante   o sufre  pequeñas 
fluctuaciones insignificantes,  aun cuando se da  un incremento en la concentración; cada zona de 
estabilidad es un tipo de geometría de micela, y tiene un número de agregación común. 

Estas zonas de estabilidad ocurren tras alcanzar la concentración crítica de las micelas (CMC) y se 
dividen en rangos estipulados por cantidades de CMCs, lo que se puede apreciar en la Gráfica 5-1, 
donde se muestran las zonas de estabilidad para la solución del surfactante Dodecilsulfato Sódico 
(SDS, solución de surfactante más usada en montajes experimentales y sistemas recirculatorios de 
enfriamiento o calefacción) en un medio acuoso con la adición de NaCl en función de contraión

12

 

(en razón de masa 1:1). Se encontró que la CMC para esta solución era de 376,4 mM

13

 . 

                                                           

12

 Ion que acompaña una especie iónica y mantiene la neutralidad eléctrica.  

13

 mili Molar: unidad de concentración molar que equivale a   

  

Molar. 

Agua

 

Extremo 

hidrofílico    

polar

 

Extremo 

hidrofóbico    

no polar

 

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Se  estipularon  tres  zonas  de  estabilidad  alusivas  a  tres  tipos  de  geometrías  de  micelas.  Para  un 
rango  menor  a  15  CMCs  (5.647  mM)  se  tienen  micelas  de  forma  esférica;  para  valores  de 
concentración  superiores  17  CMCs  (6.399  mM)    pero  menores  que  47  CMCs  (17.690  mM)  se 
tienen micelas con forma cilíndrica; y para concentraciones mayores a 60 CMCs (22.584 mM) se 
obtienen micelas de forma laminar (Zhou, Xu, Ma, Li, Wei, & Yu, 2011). 

 

Gráfica 5-1. Zonas de estabilidad para la solución de Dodecilsulfato  sódico (SDS) con NaCl. Adaptada de: (Zhou, Xu, 

Ma, Li, Wei, & Yu, 2011). 

La función del contraión es neutralizar la especie iónica, en este caso las moléculas de surfactante, 
con el fin de mantener  una estabilidad eléctrica y de esta manera originar las zonas de estabilidad 
a pequeñas CMCs; contrario a lo que pasaría si se omitiera el uso de este tipo de iones, en donde 
las cantidades de CMCs necesarias para alcanzar ciertas zonas de estabilidad se elevarían tal como 
se puede apreciar en la Gráfica 5-2 , donde para la misma solución de surfactante SDS sin la acción 
del contraión NaCl, se dieron incrementos en los rangos de estabilidad. Por ejemplo el rango de 
micelas  cilíndricas  (  ),  el  cual  paso  de                        a               
       . 

Micelas 

Esféricas

 

Micelas 

Cilíndricas

 

Micelas 

Laminares

 

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Gráfica 5-2. Zonas de estabilidad para la solución de Dodecilsulfato  sódico (SDS) sin NaCl. Fuente: (Zhou, Xu, Ma, Li, 

Wei, & Yu, 2011). 

La Concentración Crítica de formación de Micelas depende estrictamente del carácter hidrofóbico 
e hidrofílico de las moléculas de surfactante. El aumento  de las cadenas de carbono en el grupo 
hidrofóbico decrece la CMC, mientras que la localización de la carga iónica en el  grupo hidrofílico 
también repercute positiva o negativamente  en la CMC. La explicación de la influencia  de estos 
factores se relaciona con la composición química de las moléculas de surfactante, tema específico 
que no está dentro de las consideraciones de este proyecto. 

Las investigaciones han demostrado que las moléculas de surfactantes son capaces de organizarse 
en tres tipos de estructuras geométricas, pero solo una de estas es capaz de generar reducción de 
arrastre  en  el  flujo.  Las  micelas  de  forma  cilíndrica,  debido  a  su  capacidad  de  enredamiento, 
(permiten la elaboración de estructuras superiores a manera de  redes de micelas), son las únicas 
capaces de producir disminución de pérdidas de energía en el flujo. Existen dos tipos de micelas 
cilíndricas: micelas cilíndricas rígidas (stiff rod-like micelles en inglés) y micelas cilíndricas flexibles 
o también denominadas micelas en forma de lombriz (worm-like micelles)  por su semejanza con 
este invertebrado. La diferencia entre ambos tipos, radica en la forma y el carácter flexible, esta 
última  se  cree  es  la    característica  principal  que  permite  la  formación  de  redes    de  micelas.  En 
otras  palabras,  las micelas  de  forma  cilíndrica  flexibles  son  las  únicas  que  generan  reducción  de 
arrastre.  

Las  micelas  cilíndricas  flexibles  respecto  a  las  cilíndricas  rígidas  tienen  una  forma  elongada  más 
pronunciada.  La  flexibilidad  es  vital  en  la  formación  de  redes  y  se  debe  a  la  influencia  de  tres 
parámetros: el radio de la sección transversal, la longitud total y la longitud de persistencia. 

5.2.5.1. 

Radio de la sección transversal ( 

  

 El radio de la sección transversal es un parámetro que está asociado con la longitud total ( ) de la 
cadena  de  surfactantes  y  es  independiente  de  la  concentración  de  la  solución  (Ezrahi,  Tuval,  & 

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Aserin,  2006).  Su  importancia  radica  en  ser  un  factor  determinante  de  la  longitud  total  de  la 
micela, la cual bajo cierto criterio permite clasificar la micela cilíndrica como flexible. 

5.2.5.2. 

Longitud total (L) 

La longitud total de la micela ( ) depende de la información química codificada en la molécula de 
surfactante  y  la  fracción  volumétrica

14

  ( )  del  mismo.  La  influencia  de  la  información  química 

codificada se relaciona con el grado y tipo de ionización de los grupos polares hidrofílicos. A su vez, 
estos grupos polares son los encargados de generar la magnitud de las fuerzas electrostáticas de 
repulsión, y es a partir de estas fuerzas que se suple la  energía de escisión de la micela capaz de 
provocar la ruptura (Ilustración 5-2). En este orden de ideas, la información codificada determina 
la longitud de la micela mínima (longitud total) para la cual no existe energía de escisión suficiente 
para romper la micela.  

 

Ilustración 5-2. Fuerzas repulsivas en micelas cilíndricas formadas por Surfactantes Catiónicos. Fuente: (Autor). 

Existen dos ecuaciones para el cálculo de la longitud total de la micela: 

Para micelas cilíndricas compuestas por moléculas de surfactante no iónico o electrostáticamente 
neutro, la longitud  total obedece a la siguiente ecuación: 

     

 

 

      (

 

 

     

 

   

Ecuación 5-4. Longitud total de micela no iónica. 

 

                                                           

14

 Fracción del volumen total de la solución que corresponde al volumen de surfactante. 

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donde   

 

  es  la  energía  requerida  para  la  división  de  la  micela  en  dos  o  más  partes  (energía  de 

escisión),  

 

 es la constante de Boltzmann y   es la temperatura Absoluta (K). Es clara la influencia 

de la energía de escisión, ya que entre  mayor sea su magnitud, la dificultad de rompimiento de la 
micela cilíndrica también será mayor, por lo cual es posible la estabilidad a mayores longitudes. 

Respecto  a  las  micelas  cilíndricas  compuestas  por  surfactantes  iónicos,  donde  las  fuerzas 
electrostáticamente repulsivas juegan un papel importante, la  ecuación es la siguiente: 

     

 

 

      (

 

 

   

 

     

 

   

 

Ecuación 5-5. Longitud total de micela iónica. 

 

 

 donde  

 

 es la energía proporcionada por las fuerzas repulsivas, la cual favorece el rompimiento 

de la micela. Esta energía electrostática es calculada mediante la siguiente ecuación: 

 

 

 

   

 

       

 

   

  

   

 

   

 

 

 

 

Ecuación 5-6. Energía electrostática de la micela. 

donde     es  la  carga  efectiva  por  unidad  de  longitud y   

 

  es  la  longitud  de  Bjerrum

15

.  Se  aprecia 

claramente  la  influencia  directamente  proporcional  del  radio  de  la  sección  transversal  ( 

  

mencionado en el numeral anterior. 

5.2.5.3. 

Longitud de persistencia ( 

 

La  longitud  de  persistencia  es  una  medida  de  la  rigidez  de  la  micela,  en  otras  palabras,  es  la 
longitud rígida en la micela cilíndrica para la cual no existe grado de curvatura alguno (Ilustración 
5-3).  
Este  parámetro  está  directamente  relacionado  con  el  módulo  de  Doblado     de  la  micela 
(Bending Modulus en inglés), el cual hace referencia al costo de energía de deformaciones curvas 
en la micela,  y es posible calcularlo mediante la siguiente ecuación: 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

Ecuación 5-7. Longitud de persistencia. 

La  importancia  de  este  parámetro  reside  en  que  para  micelas  con  longitudes  superiores  a   

 

  el 

costo de energía elástica para el movimiento curvilíneo es  despreciable y la micela entonces es de 
carácter flexible, en otras palabras, si      

 

 la micela es considerada cilíndricamente flexible, de 

lo contrario se considera cilíndricamente rígida. 

                                                           

15

 Longitud de separación a la cual la magnitud de la energía electrostática debida a la interacción entre dos 

cargas elementales es comparable con la energía térmica ( 

 

   ). 

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Ilustración 5-3. Tamaño de los parámetros de flexibilidad micela en función de la fracción volumétrica de surfactante. 

Adaptada de: (Ezrahi, Tuval, & Aserin, 2006) 

La temperatura, tal como se  ha planteado a lo largo del presente proyecto,  juega un papel muy 
importante  en  el  desempeño  de  los  surfactantes; en  las  ecuaciones  anteriores (Longitud  Total y 
Longitud  de  Persistencia)  se  aprecia  como  la  temperatura  afecta  de  manera  inversamente 
proporcional los parámetros de clasificación en cuanto se refiere a la flexibilidad de las micelas. A 
continuación se presenta un numeral destinado a la explicación e influencia de la temperatura en 
las redes de micelas. 

5.2.6.  Influencia de la temperatura en el comportamiento de la micela 

El comportamiento de la micela se ve afectado directamente por los cambios en la temperatura; 
tal como se aprecia en las ecuaciones de clasificación de flexibilidad, un aumento significativo en la 
temperatura se ve reflejado en una disminución en la longitud total de la micela, y a su vez, en la 
longitud de persistencia. Claramente existe una mayor influencia en la longitud total de la micela 
dada la condición exponencial de la ecuación. No obstante, sostienen Roberta K. Rodrigues, Thiago 
H.  Ito  y  Edvaldo  Sbadini,  el  eventual  decrecimiento  en  la  longitud  total  de  la  micela  se  ve 
compensado  por  el  flujo  convectivo,  el  cual  como  consecuencia  aumenta  el  movimiento 
Browniano

16

 en el sistema, alineando las micelas, promoviendo la fusión y el enredamiento de las 

mismas, efecto que culmina con el aumento de la longitud total de la micela y formación de redes 
(principal estructura en el fenómeno de reducción de arrastre). De igual forma se aprecia que una 
disminución en la longitud de persistencia aumenta el rango de clasificación de flexibilidad de una 
micela.  Por  lo  anterior,  se  afirma  que  el  aumento  de  la  temperatura  en  la  mezcla  aumenta  la 
flexibilidad de las micelas y contribuye a la formación de redes.  

                                                           

16

 Movimiento aleatorio que se observa en partículas microscópicas suspendidas en un medio acuoso. 

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Es necesario resaltar que el aumento incontrolado de la temperatura no contribuye infinitamente 
a  la  formación  de  redes  de  micelas  pues  como  se  dijo  anteriormente,  los  surfactantes  solo  son 
efectivos  dentro  de  cierto  rango  de  temperatura.  K.  Rodrigues,  Thiago  H.  Ito  y  Edvaldo  Sbadini 
plantean la existencia de dos valores críticos de temperatura entre los cuales se genera reducción 
de  arrastre;  al  primer  valor  se  le  denomina  temperatura  de  inicio  de  reducción  de  arrastre   

 

 

(onset  temperature  for  the  drag  reduction  en  inglés),  valor  correspondiente  al  límite  de 
temperatura para el cual valores superiores a este  permiten la formación de  redes de  micelas y  
disminución en las perdidas por fricción, y valores inferiores a este límite impiden la formación de 
redes  de  micelas;  al  segundo  valor  se  le  denomina  temperatura  de  rompimiento  de  micelas   

 

 

(temperature for break of long micelles en inglés) y es el valor límite de temperatura a partir del 
cual  valores  superiores  a este  ocasionarían  el  rompimiento  de  micelas,  impidiendo  así  cualquier 
fenómeno de reducción de arrastre.  

La razón por la cual se  da el rompimiento de  la estructura micelar  a temperaturas superiores  al 
límite   

  

  es  el  incremento  insostenible  de  la  energía  en  el  sistema;  en  otras  palabras,  se  da  un 

incremento en la energía del sistema debido al efecto de la energía térmica. Este incremento se 
vuelve  insostenible  para  el  sistema,  por  lo  cual  las  micelas  que  han  conformado  una  estructura 
interconectada  se  ven  obligadas  a  romper  estas  conexiones  y  reorganizar  sus  moléculas, 
adoptando una forma esférica limitada en tamaño, permitiendo de esta forma el equilibrio en el 
sistema.  Bajo esta  nueva  configuración  es  imposible  el  origen  de  un  fenómeno  de  reducción  de 
arrastre, pues como se planteó en el Numeral 5.2.5, las micelas cilíndricas son las únicas capaces 
de originar el fenómeno. 

En la Gráfica 5-3 se observa claramente la influencia de la temperatura para diferentes sistemas de 
soluciones del surfactante Bromuro de Cetiltrimetilamonio  (CATB), los cuales son analizados bajo 
un flujo a velocidad constante, midiendo las variaciones en la fuerza aplicada  (torque)  necesaria 
para mantener constante esta velocidad. Este análisis permite correlacionar el esfuerzo cortante, 
pues fluctuaciones positivas en el  torque aplicado  indican un aumento en el esfuerzo cortante y 
viceversa. 

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Gráfica 5-3. Correlación de diagramas térmicos de flujo y torque aplicado para el mantenimiento de velocidad 

constante. Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011). 

En la gráfica anterior se aprecian claramente ciertas fluctuaciones en el torque que se reflejan en 
una  disminución  de  pérdidas  por  fricción,  denotando  así  los  límites  de  temperatura  

 

  y   

 

  que 

permiten establecer un rango de acción de las micleas. Se observa cómo la fluctuación comienza a 
una temperatura  

 

, a partir de la cual disminuye el torque necesario (comienza el fenómeno de 

reducción  de  arrastre),  y  culmina  inmediatamente  después  de  una  temperatura   

 

  (fin  del 

fenómeno de reducción de arrastre), tal  como se afirmó anteriormente.  

Se  observa  además,  como  las  fluctuaciones  establecen  diferentes  rangos  de  temperatura, 
dependiendo  del  tipo  de  surfactante;  esto  se  debe  a  que  las  temperaturas  críticas  están  en  
función  de  la  composición  química  y  concentración  del  surfactante.  En  cuanto  a  la  composición 
química, la temperatura es función de la longitud del grupo alquilo (Gráfica 5-4 ), a mayor longitud 
de  este  grupo  mayores  serán  las  temperaturas  críticas.  Por  otra  parte,  la  concentración  afecta 
proporcionalmente  la  temperatura,  a  mayor  concentración  mayores  temperaturas  críticas  y 
viceversa. La explicación detallada de las dependencias de las temperaturas críticas no está dentro 
de las aspiraciones del presente proyecto. 

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Gráfica 5-4. Temperatura de rompimiento de micelas en relación con el grupo alquilo CH2 para los surfactantes 

compuestos de Bromuro de alquitrimetilamonio:  

  

    

  

    

  

   . Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & 

Sabadini, 2011). 

El  efecto  de  la  temperatura,  además  de  estipular  un  rango  de  efectividad  para  la  reducción  de 
arrastre,  está  directamente  relacionado  con  el  desempeño  de  las  redes  de  micelas,  ya  que  un 
incremento  dentro  del  rango  comprendido  entre   

 

y   

 

  ,  aumenta  la  capacidad  de  soporte  de 

cortante en las redes de micelas, extendiendo el rango de    (número de Reynolds) sobre el cual 
son  efectivas.  Este  efecto  se  debe  al  incremento  en  el  movimiento  Browniano  de  las  micelas 
dentro  del  flujo,  el  cual  aumenta  la  fuerza  de  las  interconexiones  en  las  redes,  volviendo  la 
estructura más fuerte y resistente al cortante.  

Se  debe  aclarar  que  un  incremento  en  el  número  de  Reynolds  significa  un  incremento  en  el 
cortante dentro del flujo. El efecto de la temperatura incrementa el   

 

 (Reynolds crítico)  a partir 

del cual las redes son destruidas, debido a la magnitud del cortante (Gráfica 5-5), extendiendo así 
el rango de efectividad de las redes. Esto permite afirmar que la máxima reducción de arrastre se 
obtiene  inmediatamente  antes  de  que  la  solución  alcance  la  temperatura  de  rompimiento  de 
micelas  

 

, ya que en este momento se da el máximo cortante capaz de ser disipado por las redes 

de micelas (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011). La explicación e influencia del efecto del número de 
Reynolds se efectuará en el Numeral 5.2.9. 

Número de grupos 𝐶𝐻

 

 

Te

m

p

era

tu

ra

 d

e r

o

m

p

im

ie

n

to

 (

°C)

 

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Gráfica 5-5. Reynolds crítico vs temperatura de la solución para diferentes concentraciones de Bromuro de 

alquitrimetilamonio. Adaptada de: (Rodrigues, Ito, & Sabadini, 2011). 

A la altura de esta exposición  se ha analizado el mecanismo de formación de micelas y los factores 
que de una u otra forma determinan el mismo; además se ha indagado sobre componentes que 
influyen  sobre  el  comportamiento  micelar.  No  obstante,  es  necesario  comprender  las  redes  de 
micelas como la estructura macro final, objetivo de estos elementos, capaz de generar reducción 
de arrastre; para esto es necesario conocer el mecanismo de formación y acción de las redes de 
micelas. A continuación se dedica todo un capitulo a la explicación de este fenómeno. 

5.2.7.  Formación de redes de micelas 

Bien se sabe que las micelas como elementos individuales no son capaces de generar reducción de 
arrastre, en consecuencia se ven en la obligación de formar estructuras más elaboradas capaces 
de  originar  este  fenómeno;  a  estas  estructuras  se  les  denomina  redes  de  micelas  y  se  definen 
como  aglomeraciones  tridimensionales  multiconectadas  de  micelas,  sostenidas  por  conexiones 
capaces de resistir perturbaciones mecánicas. Algunos autores, como Kalus, con base en estudios 
de  los  patrones  de  dispersión  de  neutrones,    sostienen  que  estas  estructuras    mantienen  un 
ordenamiento  hexagonal,  mientras  que  otros  autores  como  Hoffmann,  sostienen  que  estas 
estructuras son enredamientos amorfos, cuya composición es muy similar al del gel. Sin embargo 
la  importancia  de  las  redes  radica  en  su  efecto  sobre  el  flujo,  para  el  cual  su  forma  no  es 
influyente. 

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La formación de redes de micelas se debe a dos efectos: el efecto de la concentración, y el efecto 
del cortante. 

Por  una  parte,  la  concentración  juega  un  papel  muy  importante,  ya  que  el  incremento  en  la 
concentración  aumenta  la  longitud  individual  y  a  su  vez  disminuye  la  distancia  entre  micelas 
obligando al traslapo de  los elementos.  Al  traslaparse  las micelas se  forman puntos de  contacto 
sobre los cuales actúan fuerzas mecánicas y friccionales que contribuyen al enredamiento gradual 
de estos elementos y la posterior formación tridimensional de redes de micelas.  

A pesar de que el incremento en la concentración es un factor influyente en la formación de redes, 
estas estructuras no se deben en su totalidad a este efecto; por el contrario, se deben al efecto de 
conjunto de la concentración y el cortante. 

Para  entender  el  efecto  del  cortante  se  debe  analizar  la  solución  (micelas-solvente)  como  un 
material viscoelástico; un incremento en el esfuerzo cortante y en la tasa de aplicación del mismo, 
contribuye a la formación de micelas y el enredamiento de las mismas, aumentando la viscosidad 
de la solución y cambiando sus características de newtonianas a viscoelásticas.  

Durante la Segunda Guerra Mundial se  observó  que a diferencia de  los fluidos newtonianos, los 
fluidos viscoelásticos al ser sometidos a fuerzas cortantes tienden a desplazarse normalmente al 
plano  de  acción  de  dichas  fuerzas  (Ilustración  5-4).  Esta  situación  se  debe  a  los  fluidos 
viscoelásticos  tienden  a  desarrollar  esfuerzos  normales  cuando  son  sometidos  a  esfuerzos 
cortantes.   

 

Ilustración 5-4. Efecto de una fuerza cortante generada por a través del torque de una barra sobre un fluido 

newtoniano y un fluido viscoelástico. Adaptada de: (Franck, 2007). 

El efecto del cortante  sobre  fluidos  viscoelásticos  se puede apreciar en la  Gráfica 5-6, donde  un 
incremento en el esfuerzo cortante ( 

  

) genera una deformación ( ) y un esfuerzo normal ( 

  

).  

Fluido newtoniano

 

La  inercia  causa  que  el 
fluido se aleje del centro.

 

Fluido viscoelástico

 

Las fuerzas  elásticas  causan 
que el fluido trepe la barra.

 

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Centro de investigaciones en Acueductos y Alcantarillados- CIACUA 
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Sebastián Aguas Lozano   

Proyecto de Grado 

Página 43 

 

 

Gráfica 5-6. Correlación esfuerzo cortante, deformación (s) y esfuerzo normal para materiales viscoelásticos. 

Adaptada de: (Franck, 2007). 

Según Yuntao Hu, el incremento en el cortante aplicado y la tasa de aplicación del mismo, tienen 
dos efectos que contribuyen igualmente en la formación de redes de micelas: el incremento en la 
diferencia de esfuerzos normales y el incremento en el comportamiento elástico. 

La diferencia de esfuerzos normales corresponde a la resta entre los esfuerzos  

  

 y  

  

 (Gráfica 

5-6)  y  está  directamente  relacionada  con  la  parte  elástica  del  módulo  complejo  de  la  solución 
(micelas – solvente) y la deformación debida al esfuerzo cortante. Esta relación  está dada por la 
siguiente ecuación: 

 

  

   

  

   

 

   

 

   

 

 

 

Ecuación 5-8. Diferencia de esfuerzos normales. 

donde   

  

  y   

  

  corresponden  a  los  esfuerzos  normales  mostrados  en  la  Gráfica  5-6,   

 

  es  la 

diferencia de esfuerzos normales,   

 

 es la parte elástica del módulo complejo de la solución y    

es la deformación debida al esfuerzo cortante.  

Para  entender  mejor  esta  ecuación  y  su  influencia  sobre  la  formación  de  redes  de  micelas  es 
necesario aclarar los conceptos viscoelásticos. Los materiales viscoelásticos son materiales difíciles 
de caracterizar debido a que su comportamiento en sí está gobernado a su vez por otros dos tipos 
de  comportamiento:  uno  viscoso  y  otro    elástico.  El  comportamiento  viscoso  hace  referencia  al 
comportamiento  líquido  del  material  y    se    relaciona  con  un  comportamiento  disipativo  de 
energía, en el cual el fluido opone resistencia al corte, y disipa la energía debida a este cortante en 
forma  de  calor;  el  comportamiento  elástico  hace  referencia  al  comportamiento  sólido  del 
material, capaz de sufrir deformaciones elásticas, y se relaciona con un comportamiento en el cual 
la  energía debida al cortante es almacenada por el material y posteriormente relajada mediante 

Deformación relativa  𝑠 𝑥

 

 

Esf

ue

rz

o

 c

o

rt

an

te

, e

sf

ue

rz

o

 n

o

rm

al

 (

K

P

a)

 

Esfuerzo normal (KPa)

 

Esfuerzo cortante (KPa) 

 

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un  proceso  de  relajación.  La  contribución  viscosa  (comportamiento  viscoso)  y  elástica 
(comportamiento elástico) establecen el módulo complejo del material

17

 ( 

 

).  

El módulo complejo está conformado por una parte real (elástica) y una parte imaginaria (viscoso) 
y está dado por la siguiente ecuación: 

 

 

   

 

   

 

 

 

Ecuación 5-9. Módulo complejo de materiales 

viscoelásticos. 

donde  

 

 es la parte real debida a la contribución elástica (comportamiento solido) y  

 

 es la parte 

imaginaria  debida  a  la  contribución  viscosa  (comportamiento  líquido).    Entre  mayor  sea  la 
contribución elástica, el material actúa más como un sólido con capacidad de almacenamiento de 
energía y de sufrir deformaciones elásticas, mientras que entre mayor sea la contribución viscosa, 
el material actúa más como un líquido con capacidad disipativa en forma de calor y sin capacidad 
de sufrir deformaciones elásticas.  

Las  contribuciones  elásticas  y  viscosas  varían  de  acuerdo  con  la  frecuencia  de  aplicación  de 
cortante  y  temperatura  del  material;  a  mayor  frecuencia  de  aplicación  de  cortante  mayor  es  la 
contribución  elástica  y  viceversa;  a  mayor  temperatura  es  mayor  la  contribución  viscosa  y 
viceversa (Ilustración 5-5).  

Es  importante  analizar  el  comportamiento  debido  a  la  temperatura  ya  que  está  directamente 
relacionado  con  la  viscosidad  del  material;  a  mayor  temperatura  menor  es  la  viscosidad  pero 
mayor es la contribución viscosa en el módulo, debido a que su comportamiento se asemeja más 
al  de  un  líquido,  mientras  que    a  menor  temperatura  mayor  es  la  viscosidad  pero  mayor  es  la 
contribución  elástica  en  el  módulo,  debido  a  que  su  comportamiento  se  asemeja  más  al  de  un 
sólido.  

 

Ilustración 5-5. Representación del módulo complejo como combinación de dos vectores, que son el módulo elástico y 

viscoso. Adaptada de: (Quesada, 2008).

 

                                                           

17

 Módulo del vector obtenido como suma de las contribuciones de los módulos elástico (G’)y viscoso(G’’). 

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El efecto de un incremento en la fuerza y frecuencia de aplicación del cortante en la solución, es 
un incremento en los esfuerzos normales, lo que se traduce en un incremento en la contribución 
elástica del módulo complejo y en las deformaciones debidas al cortante.  

La formación de las redes de micelas ocurre cuando la diferencia de esfuerzos normales llega a tal 
magnitud,  en  donde  las  micelas  por  efecto  de  la  deformación  longitudinal  y  el  comportamiento 
elástico,  comienzan  a  enredarse  unas  con  otras  dando  origen  a  dichas  estructuras  e 
incrementando la viscosidad de la solución.  

La  consecuencia  del  aumento  gradual  de  la  viscosidad  contribuye  al  fenómeno  de  reducción  de 
arrastre  como  se  verá  en  el  siguiente  numeral.  Sin  embargo,  la  viscosidad  no  aumenta 
infinitamente,  su  incremento  se  da  hasta  alcanzar  la  viscosidad  de  Plateau  (Gráfica  5-7).  La 
viscosidad  de  Plateau  corresponde  a  todas  las  posibles  viscosidades  de  la  solución  viscoelástica 
para las cuales el módulo complejo se encuentra dentro de la región de Plateau (Gráfica 5-8). Es en 
esta región donde la solución alcanza el módulo de Plateau

18

, para el cual la contribución elástica 

supera  la  contribución  viscosa,  por  lo  cual  se  afirma  que  la  solución  está  gobernada  por  un 
comportamiento elástico.  

 

Gráfica 5-7. Viscosidad inicial y viscosidad de Plateau para diferentes tasas de aplicación de carga. Adaptada de: (Hu & 

Matthys, 1995). 

                                                           

18

 Módulo complejo de materiales viscoelásticos en el cual la contribución elástica supera la contribución 

viscosa. 

Tasa de esfuerzo cortante (1/s)

 

Vis

co

sid

ad

 d

in

ám

ica 

(Poi

se

)

 

Viscosidad de Plateau

 

Viscosidad inicial

 

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Después  de  la  formación  de  redes  de  micelas,  la  diferencia  de  esfuerzos  normales  permanece 
constante, a su vez, el esfuerzo cortante que estaba sujeto a una tendencia incremental, comienza 
a disminuir notoriamente, por lo cual es posible afirmar la ocurrencia de la reducción de arrastre. 
La  reducción  de  arrastre  es  lograda  a  través  de  un  mecanismo  denominado  Deslizamiento  de 
pared 
(Wall slip en inglés), el cual será explicado en el siguiente numeral. 

 

Gráfica 5-8. Regímenes de módulo complejo en materiales viscoelásticos. Adaptada de: (Sunthar, 2006). 

5.2.8.  Deslizamiento de pared 

Las redes de micelas o  fase de gel inducida, caracterizada por tener mayor viscosidad y elasticidad 
que la solución inicial, se posicionan en dirección del flujo entre el flujo y la pared de la tubería, 
almacenando  el  cortante  presente  mediante  la  elongación  de  las  mismas,  hasta  cierto  punto 
donde liberan este cortante mediante un proceso de relajación que involucra el rompimiento de 
las  redes.  Posterior  a  este  rompimiento,  las  micelas  quedan  libres  en  el  flujo  y  es  el  mismo 
cortante el cual las enreda en redes de micelas nuevamente, listas para interactuar entre la pared 
y el flujo. Este es un proceso repetitivo que solo culmina con esfuerzos cortantes muy altos para 
los cuales el proceso de relajación se ve afectado.   

Es la característica viscoelástica presente en estas redes de micelas  la que permite la reducción de 
arrastre, por cuanto el módulo de Plateau hace posible la capacidad elongativa de las redes, y de 
esta manera es posible impedir que el cortante afecte el flujo.  

El efecto en sí de las redes de micelas al posicionarse entre la pared y el flujo, es impedir que altas 
magnitudes  de  cortante  lleguen  al  flujo,  con  el  fin  de  evitar  la  formación  y  elongación  de  los 
vórtices padre, los cuales son la principal causa del flujo turbulento y por ende de las pérdidas por 
fricción.  

5.2.8.1. 

Relajación de redes de micelas 

La reducción en las pérdidas por fricción es posible gracias a la capacidad repetitiva del mecanismo 
de Deslizamiento de pared, ya que sin esta capacidad la efectividad de las redes de micelas sería 
mínima pues  no son capaces de sufrir grandes deformaciones. Esta capacidad repetitiva se debe 
al proceso de relajación de redes de micelas, proceso mediante el cual las redes elongadas liberan 

Transición de flujo

 

Viscoso

 

Plateau

 

Frágil

 

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el esfuerzo cortante almacenado,  simultáneo al rompimiento de los enlaces y fragmentación de 
las micelas que conforman la red, liberando las micelas al flujo para la posterior conformación de 
nuevas redes bajo el efecto del cortante.  Se cree que existen dos mecanismos mediante los cuales 
es  posible  relajar  el  esfuerzo  cortante  almacenado  mediante  la  deformación  de  las  redes  de 
micelas: Mecanismo de reptaciónMecanismo de escisión reversible

Una  micela  elongada  puede  relajar  el  esfuerzo  cortante  mediante  su  reordenamiento  en  una 
forma  no  estirada,  este  reordenamiento  es  posible  bajo  la  consideración  de  dos  tipos  de 
movimiento:  el  primero  corresponde  al  movimiento  relativo  de  la  micela  individualmente  con 
respecto  a  las  otras  micelas  presentes  en  la  red,  mientras  que  el  segundo,  corresponde  al 
movimiento de las partículas de las micelas en sí. Ambos movimientos se ven limitados debido a la 
restricción lateral perpetuada por las otras micelas que la rodean, por lo cual sólo pueden ocurrir 
mediante el movimiento simultáneo en todas las micelas que conforman la red, o a través de un 
movimiento que  se asemeja al de  una serpiente (Ezrahi, Tuval, &  Aserin, 2006).  Las micelas que 
rodean  la  micela  elongada  forman  una  especie  de  tubo  curvilíneo  sobre  el  cual  es  posible  el 
movimiento de la misma (Ilustración 5-6), es a través de este movimiento longitudinal curvilíneo 
que la micela de manera individual logra atravesar toda la red y se libera de la misma; de manera 
simultánea se acorta la longitud elongada de la micela y a su vez se dobla hasta el punto en que se 
encuentran sus extremos. Una vez encontrados sus extremos y ocurrida la liberación,  se estiran 
los extremos doblados en una dirección al azar hasta alcanzar su forma inicial (forma de la micela 
antes  del  enredamiento  y  formación  de  la  red).  A  este  proceso  de  relajación  de  esfuerzos  se  le 
conoce como Mecanismo de reptación y puede ser apreciado en la Ilustración 5-7. 

 

Ilustración 5-6. Tubo formado por micelas circundantes. Fuente: (Autor). 

 

Tubo

 

Micelas que restringen 
movimiento lateral

 

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Ilustración 5-7. Mecanismo de reptación. Fuente: (Autor). 

Por otra parte es posible relajar el esfuerzo cortante a través del rompimiento longitudinal de la 
micela elongada, formando micelas de longitudes más cortas, capaces de liberarse fácilmente de 
la red de micelas para luego volver a ser reconectadas, conformando la longitud inicial (forma de 
la micela antes del enredamiento y formación de la red). Este es un proceso de relajación rápido 
(relativo a la lenta ocurrencia del Mecanismo de reptación) y recibe el nombre de Mecanismo de 
escisión reversible

Ambos  mecanismos  están sujetos  a  un  tiempo  de  ocurrencia  denominado  tiempo  de  relajación. 
Aunque se sabe de la ocurrencia de ambos métodos de relajación, no se conoce con certeza cuál 
de los dos predomina. Cates propuso un modelo para describir la viscoelásticidad en soluciones de 
surfactantes, en el cual se utilizaba el mecanismo de reptación modificado de tal forma que incluía 
a la vez el mecanismo de escisión reversible. El modelo inicialmente calcula el respectivo tiempo 
de relajación para cada mecanismo: 

 

El tiempo de reptación ( 

   

) que representa el tiempo de ocurrencia de este mecanismo 

se calcula mediante la siguiente ecuación: 

 

 

   

   

 

   

 

 

 

 

Ecuación 5-10. Tiempo de reptación. 

 

donde  L  representa  la  longitud  promedio  de  micelas  y     es  la  fracción  volumétrica  del 
surfactante. 

 

El tiempo de rompimiento de micelas ( 

 

) que hace referencia al tiempo de ocurrencia del 

mecanismo de escisión reversible,  mediante la siguiente ecuación: 

Condición inicial de la micela

 

La micela se libera de la red y a 
su  vez  se  dobla  acortando  su 
longitud

 

Se  estiran  los  extremos  de  la 
micela  en  una  dirección  al  azar, 
recuperando su longitud inicial

 

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Ecuación 5-11. Tiempo de escisión 

reversible. 

 
donde   

 

 es  una  constante  por  unidad  de  longitud  dependiente  de  la  temperatura  e 

independiente del tiempo y la fracción volumétrica de surfactante. 
 
 

Dos situaciones son propuestas en este modelo: 

 

 

 

 

>>   

   

,  en  esta  situación  la  relajación  ocurre  por  el  mecanismo  de  reptación  ya  que 

para  el  instante  de  tiempo  en  que  debería  ocurrir  la  escisión  reversible  la  micela  ya  se 
encuentra relajada, la liberación del cortante ocurre a razón de la siguiente ecuación: 
 

 (    ̇)    

 

( ̇)     ( 

 

 

   

 

 

 

Ecuación 5-12. Relajación del cortante 

( 

 

>>  

   

). 

 

 

donde   

 

( ̇)  es  el  cortante  en  el  tiempo  cero  (cortante  en  el  instante  de  tiempo  que 

comienza  la  relajación).  Claramente  se  observa  que  la  relajación  del  cortante  es  función 
del tiempo ( ) y el grado de deformación ( ̇) de la micela elongada dentro de la red, esto 
se debe a que el cortante almacenado en el tiempo cero es función de la deformación de 
la micela, y a su vez, disminuye a razón del tiempo. 

 

 

   

      

 

, en esta situación el proceso de rompimiento y reconexión de micelas ocurre 

muchas veces antes de que la micela logre liberarse del tubo formado por otras micelas 
circundantes (Ezrahi, Tuval, & Aserin, 2006). La relajación del esfuerzo cortante es descrita 
por la siguiente ecuación: 

 (    ̇)    

 

( ̇)     ( 

 

 

 

 

Ecuación 5-13. Relajación del cortante 

( 

   

      

 

,). 

 

 

donde  

 

 es el tiempo de relajación que permite la reptación de los segmentos de micelas 

originados al inicio del proceso de escisión reversible antes de que sean reconectados en la 
culminación de dicho proceso. Por dicha razón el tiempo  

 

 es función de los tiempos  

   

 

y  

 

,  y está dado por la siguiente relación: 

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Página 50 

 

 

 

  ( 

 

   

   

)

 

 

 

 

Ecuación 5-14. Tiempo de relajación 

combinado. 

 

Es  esta  característica  repetitiva  del  fenómeno  de  Deslizamiento  de  Pared  por  la  que  los 
surfactantes adquieren el sobrenombre de “polímeros vivos”, y es la capacidad regenerativa tras 
ser  sometidos  a  esfuerzos  cortantes  lo  que  los  hace  muy  atractivos  para  la  industria  de 
calentamiento  y  refrigeración,  la  cual  implica  circuitos  cerrados  recirculatorios  de  bombeo  de 
fluidos  sobre  los  cuales  los  surfactantes;  a  diferencia  de  otros  agentes  reductores  como  los 
polímeros  (se  dañan  tras  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre,  y  al  pasar  por  el  sistema  de 
bombeo),  son  capaces  de  ser  sometidos  a  varios  ciclos  sin  perder  su  capacidad  reductora  de 
arrastre. 
 
Hasta  el  momento  se  han  establecido  relaciones  entre  la  formación  de  micelas,  formación  de 
redes  de  micelas,  el  esfuerzo  cortante,  la  tasa  de  aplicación  del  cortante,  y  el  fenómeno  de 
Deslizamiento de pared, pero aún no se ha descrito la dependencia de estas relaciones para con el 
número de Reynolds. En el siguiente Numeral se indaga sobre los efectos del número de Reynolds 
sobre el desempeño de los surfactantes en el flujo. 

5.2.9.  Influencia del número de Reynolds sobre el desempeño de los 

surfactantes como Agentes Reductores de Arrastre 

Se  sabe  con  certeza  que  el  efecto  de  los  surfactantes  se  debe  a  la  interacción  de  las  redes  de 
micelas  con  el  cortante  en  la  pared  de  la  tubería,  y  que  a  su  vez,  la  formación  de  estas  redes 
depende totalmente del aumento en  la diferencia de esfuerzos normales,  los cuales se deben al 
efecto de los esfuerzos cortantes sobre la solución, dada la condición viscoelástica de la misma. A 
su  vez  los  esfuerzos  cortantes  se  ven  influenciados  por  el  número  de  Reynolds,  por  lo  cual  se 
afirma que el número de Reynolds determina el comportamiento de los surfactantes y la magnitud 
de reducción de arrastre debida a los mismos.   

Para  entender  la  relación  entre  el  número  de  Reynolds  y  el  esfuerzo  cortante  en  la  pared  de  la 
tubería, se parte de la relación entre el factor de fricción y el número de Reynolds expuesta en la 
ecuación de Colebrook-White: 

 

√ 

        (

 

 

       

 

        
     √ 

 

Ecuación 5-15. Colebrook-Withe. 

Esta  es  una  ecuación  implícita  que  describe  el  factor  de  fricción  en  términos  de  la  rugosidad 

relativa (

 

 

 

) y el número de Reynolds (  ), donde la rugosidad relativa es un factor propio de la 

tubería y el número de Reynolds se relaciona con el tipo de flujo presente en la tubería. Al ser esta 
una ecuación implícita, es necesario resolverla mediante un método iterativo. El factor de fricción 

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( )  permite  calcular  las  perdidas  por  friccion  en  la  tubería  mediante  la  ecuación  de  Darcy 
Weisbach: 

 

 

      (

     

 

         

 

Ecuación 5-16. Darcy Weisbach. 

donde  

 

 son las pérdidas por fricción,   es la longitud del tramo evaluado,   es la velocidad del 

flujo, d y g son el diámetro y la constante gravitacional respectivamente.  

De  la  ecuación  de  Colebrook-White  se  afirma  que  a  mayor  número  de  Reynolds  menor  será  el 
factor de fricción y en consecuencia en la ecuación de Darcy Weisbach menores serán las pérdidas 
por fricción.  

De igual forma es posible establecer una relación entre el cortante en la pared de la tubería y el 
factor de fricción: 

   

     

 

     

 

 

 

Ecuación 5-17. Factor de fricción. 

 

donde   

 

  es  el  esfuerzo  cortante  en  la  pared  de  la  tubería  y     es  la  densidad  del  fluido.  Esta 

ecuación indica que el factor de fricción debe disminuir a medida que la velocidad   aumenta, es 
decir,  cuando  el  número  de  Reynolds  (Re)  se  hace  mayor,  lo  cual  no  implica  que  el  esfuerzo 
cortante  sea  menor.  Este  resultado  se  debe  entender  de  la  siguiente  manera:  a  medida  que  la 
velocidad aumenta, las pérdidas de energía por unidad de peso (altura) disminuyen; es decir, es 
más  eficiente  mover  un  fluido,  por  unidad  de  peso,  con  números  de  Reynolds  altos  que  con 
números de Reynolds bajos en una tubería dada (Saldarriaga, 1998).  
 
De las ecuaciones anteriores se entiende claramente la relación entre el número de Reynolds, el 
factor de fricción y el esfuerzo cortante en la tubería. Entendiendo estas relaciones y conociendo 
que  es  necesario  un  esfuerzo  cortante  inicial  que  permita  la  formación  de  micelas,  entonces  no 
cabe  duda  en  la  existencia  de  un  número  de  Reynolds  de  generación  de  redes  (  

 

);  de  igual 

forma existe un número de Reynolds que implica un cortante máximo capaz de ser resistido por 
las redes, a partir del cual estas estructuras se destruyen, atenuando el fenómeno de reducción de 
arrastre  hasta  que deja  de aparecer;  a este  número de  Reynolds se  le  conoce como el Reynolds 
crítico (  

 

).  

 
Para  observar  mejor  el  efecto  del  número  de  Reynolds  sobre  el  fenómeno  de  reducción  de 
arrastre,  se  analizarán  algunos  experimentos  expuestos  por  diferentes  autores.  F.C.  Li  en  sus 
estudios  analizó  el  comportamiento  del  surfactante  cloruro  de  cetiltrimetilamonio  concluyendo 
que el desempeño de los surfactantes se divide en 4 regímenes de flujo (Gráfica 5-9): el Régimen I 
que  corresponde  a  los  estados  laminar  y  transicional,  el  Régimen  II  que  corresponde  al  estado 
turbulento del flujo, y para el cual, el factor de fricción decrece debido al incremento de   , y para 

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el  cual  se  registra  un  incremento  en  la  reducción  de  arrastre  a  medida  que  aumenta    ;  el 
Régimen  III  que    comienza  con    

 

  y  a  partir  del  cual  la  reducción  en  las  pérdidas  por  fricción 

comienzan  a  disminuir  a  medida  que  aumenta    ,  y  que  culmina  con  la  atenuación  total  del 
fenómeno  de  reducción  de  arrastre;  y  por  último,  el  Régimen  IV  para  el  cual  no  se  registra 
reducción de arrastre. 

 

Gráfica 5-9.Regímenes de flujo de los surfactantes. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005).

 

F.C. Li analizó  además el comportamiento del surfactante en cada régimen, al compararlo con el 
del  agua, en cuanto al perfil de velocidades, las fluctuaciones de velocidad en dirección del flujo y 
las  fluctuaciones  perpendiculares  al  flujo.  Los  resultados  se  muestran  a  continuación  para  los 
cuales el numeral (a) corresponde al Régimen II, (b) Régimen III y (c) Régimen IV, el Régimen I no 
se registró dado que los surfactantes no tienen efecto alguno sobre flujos laminar y transicional. 

A  su  vez  el  mismo  autor  evaluó  el  comportamiento  en  5  casos  diferentes:  el  cuadro  de 
convenciones  se  muestra  a  continuación,  donde   

 

  y   

 

  son  la  velocidad  media  del  flujo  y  la 

velocidad de corte

19

 respectivamente: 

Tabla 5-2. Parámetros de flujo. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). 

 

                                                           

19

 Esta velocidad (que no existe en la realidad) mide la magnitud relativa del esfuerzo cortante en la 

superficie sólido-fluido (Saldarriaga, 1998). 

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Se obtuvo el siguiente perfil de velocidades: 

 

Gráfica 5-10. Comparación del perfil de velocidades de la solución de surfactantes y el agua para los Regímenes de 

flujo II, II y IV. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). 

Se observa claramente como para el Régimen II (a), el perfil de velocidades de la solución posee 
una pendiente más pronunciada que la del agua, lo que denota una laminarización del flujo y el 
fenómeno de reducción de arrastre, mientras que para el Régimen III (b) el perfil de velocidades 
de la solución empieza decaer tras alcanzarse   

 

 , pareciéndose cada vez más al del agua, lo que 

permite inferir que el fenómeno de reducción de arrastre comienza a atenuarse. En el Régimen IV 
(c)  se  aprecia  claramente  como  el  perfil  de  velocidades  del  agua  y  de  la  solución  convergen, 
mostrando  que no existe fenómeno de reducción de arrastre. 

Una  situación  similar  ocurre  con  las  fluctuaciones  de  velocidades  en  dirección  del  flujo  y  en 
dirección perpendicular al flujo, donde la comparación de los perfiles en el Régimen II denota una 
atenuación  de  las  fluctuaciones  turbulentas  por  parte  de  la  solución  de  surfactante,  que 

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disminuyen  el  fenómeno  turbulento  y  por  ende  las  pérdidas  por  fricción;  de  igual  forma,  la 
comparación de los perfiles en el Régimen III denota un aumento en las fluctuaciones turbulentas 
tras alcanzarse   

 

 ,lo que demuestra que el fenómeno turbulento está aumentando, y a su vez, la 

reducción de  arrastre disminuye a razón del  aumento de   ; finalmente,  para el  Régimen  IV los 
perfiles tienen una tendencia muy similar, por lo cual se afirma que no existe reducción de arrastre 
para la solución de surfactante (Gráfica 5-11)(Gráfica 5-12). 

 

Gráfica 5-11. Comparación de las fluctuaciones de velocidad en dirección del flujo para los flujos de la solución de 

surfactante y agua. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). 

 

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Gráfica 5-12.Comparación de las fluctuaciones de velocidad en dirección normal al flujo para los flujos de la solución 

de surfactante y agua. Adaptada de: (F.-C. Li, 2005). 

Es  claro  como  el  número  de  Reynolds  caracteriza  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre, 
estipulando un rango para el cual las soluciones de surfactantes son efectivas. Sin embargo, estos 
rangos  pueden  variar  con  base  a  factores  como  la  concentración  y  temperatura  de  la  solución.  
Según  autores  como  A. Salem,  demuestran que  los rangos efectividad,  más  precisamente    para 
  

 

,  para  una  misma  solución  puede  variar  con  el  diámetro  de  la  tubería  (Gráfica  5-13).  La 

explicación del efecto del diámetro de la tubería sobre el desempeño de la solución de surfactante 
se sale del alcance de este proyecto.  

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Gráfica 5-13. Efecto del diámetro de la tubería en el fenómeno de reducción de arrastre. Adaptada de: (SALEM, 

MANSOUR, & SYLVESTER, 2007). 

Al  igual  que  los  surfactantes  existen otros  tipos  de  agentes  reductores  que  buscan  disminuir  las 
pérdidas por fricción en el flujo, sin embargo, aunque el fin es el mismo los mecanismos de acción 
difieren. El siguiente Numeral se dedica a la explicación del fenómeno de reducción de arrastre en 
suspensiones de fibras, sus ventajas y desventajas y  aplicaciones. 

5.3.  Suspensión de fibras 

Los agentes reductores de arrastre de suspensión de fibras se definen como filamentos hechos a 
partir  de  diferentes  materiales  naturales  o  sintéticos  suspendidos  en  un  solvente  que 
generalmente  es  agua,  el  cual  permite  la  dispersión  de  los  mismos.  Son  los  agentes  reductores 
menos  estudiados  hasta  el  momento;  su  desempeño  y  capacidad  solo  han  sido  probados  en  el  
ámbito  teórico  con  fines  destinados  a  la  industria  papelera.  No  obstante,  sus  características  los 
hacen atractivos para el bombeo de crudo en la industria petrolera.  

Las fibras pueden ser fabricadas a partir de gran variedad de materiales; entre las más comunes se 
encuentran las de  nylon, asbesto, pulpa de madera y  tela. Difieren principalmente en longitud y 
diámetro, son inyectadas al sistema en forma de solución y su efectividad depende del grado de 
concentración que se emplee y las características unitarias de las fibras. 

La  efectividad  de  las  suspensiones  de  fibras  como  agentes  reductores  de  arrastre  radica  en  la 
capacidad  de  formar  flóculos

20

,  pues  son  estas  estructuras  en  sí  a  las  que  se  les  atribuye  el 

                                                           

20

 Aglomeraciones temporales de fibras formadas en el flujo debido al movimiento e interacción de las 

mismas. 

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fenómeno de reducción de arrastre. Sin embargo, la floculación en las suspensiones está ligada a 
diversos  factores  externos,  como  por  ejemplo,    la  concentración  de  la  suspensión,  relación  de 
aspecto

21

, orientación y dispersión de las fibras en el flujo, y características individuales como la 

rigidez  y  superficie.  Son  esta  cantidad  de  variables  lo  que  dificulta  la  predicción  del 
comportamiento de las suspensiones de fibras y por lo mismo son los agentes reductores menos 
estudiados. 

La  concentración  es  sin  duda  uno  de  los  factores  más  influyentes  en  la  floculación  de  fibras;  se 
define como el porcentaje de consistencia de masa obtenido a partir de la razón de masa total de 
fibras  sobre  masa  total  de  la  suspensión  (Ecuación  5-18).    Su  importancia  se  debe  a  que  es  el 
parámetro  que  define  la  proximidad  entre  fibras  dentro  de  la  suspensión  y    la  posibilidad  de 
colisionar  unas  con  otras.  El  colisionamiento  genera  conexiones  mecánicas  entre  fibras  que 
obligan a enredarse unas con otras formando flóculos. 

    

              

                        

      

 

Ecuación 5-18. Concentración de suspensión de fibras. 

 

Inicialmente, a concentraciones bajas, las fibras se encuentran libres en la suspensión, es posible la 
rotación y el desplazamiento, las posibilidades de encontrarse una fibra con otra son mínimas y no 
existen colisiones entre fibras. Sin embargo, a medida que la concentración aumenta, el espacio 
comprendido entre fibras disminuye y las colisiones son cada vez más comunes, creando puntos 
de  contacto  que  permiten  la  floculación.  No  obstante,  para  concentraciones  muy  altas,  puede 
presentarse la restricción total en movimiento de las fibras, y la formación de redes (flóculos de 
gran  tamaño)  que  contribuyen  negativamente  al  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  (oponen 
resistencia al flujo) y en ocasiones generan atascamiento en la tubería. Existe una concentración 
crítica (  ) dada en términos volumétricos a partir de la cual las fibras empiezan a colisionar unas 
con otras: 

           (

 
 

)

 

 

Ecuación 5-19. Concentración critica de colisión de fibras. 

 

 

donde    y    son el diámetro y longitud de una fibra promedio respectivamente. Con base en el 
concepto de las colisiones entre fibras y la concentración crítica, Kerekes define la propensión de 
las  suspensiones  de  fibras  a  la  floculación,  y  la  cantidad  de  contactos  mecánicos  por  fibra  en 
términos  de  un  número  adimensional  conocido  como  el  Número  de  Aglomeración  (Crowding 
Number  en  inglés),  este  término  hace  referencia  al  número  de  fibras  presentes  en  un  volumen 
esférico de diámetro igual a la longitud de una fibra promedio en la suspensión (Ilustración 5-8) 
está dado por la siguiente ecuación: 

                                                           

21

 Razón entre la longitud y el diámetro de la fibra promedio. 

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  (

 
 

)

 

 

Ecuación 5-20. Número de aglomeración de fibras 

basado en la concentración volumétrica. 

 

 

Como  se  puede  apreciar,      está  en  términos  de  la  concentración  volumétrica  ( 

 

)  y  las 

dimensiones  de  la  fibra.  Si  la  concentración  de  la  suspensión  corresponde  a  la  concentración 
crítica,  el  número  de  aglomeración  es  igual  a  1,    este  valor  marca  el  límite  para  el  cual 
suspensiones  con  números  de  aglomeración  mayores  o  iguales  a  este,  sufren  colisiones  entre 
fibras  y  tienden  a  formar  flóculos,  de  igual  forma,  números  de  aglomeración  menores  a  este 
significa que las fibras se encuentran libres y no existen colisiones en la suspensión. 

 

Ilustración 5-8. Representación gráfica del número de aglomeración. Adaptada de: (BEGHELLO, 1998). 

Para el análisis de suspensiones de fibras es conveniente expresar el número de aglomeración en 
términos de la concentración de consistencia de masa, debido a  que el concepto de concentración 
volumétrica se puede ver alterado por factores externos como el coeficiente de expansión (tanto 
para las fibras como el solvente) y la temperatura. Kerekes propone la siguiente ecuación para    
basada en la concentración de consistencia de masa: 

             

 

 

 

 

Ecuación 5-21. Número de aglomeración de fibras 

basado en la concentración de consistencia de masa. 

 

donde     es  el  peso  por  unidad  de  longitud  del  tipo  de  fibra  utilizado  expresado  en        . 
Habiendo comprendido el significado del número de aglomeración, es posible entonces clasificar 
las suspensiones de fibras en tres tipos diferentes: 

 

Suspensión  de  fibras  tipo  I:  suspensión  en  la  cual  no  existen  restricciones  en  el 
desplazamiento de las fibras; cada fibra individualmente es libre de rotar sin la posibilidad 
de  encontrarse  con  otras,  no  existen  colisiones  entre  fibras.  Este  tipo  de  suspensiones 
ocurre para 

      .

 

 

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Página 59 

 

 

Ilustración 5-9. Suspensión de fibras tipo I. Adaptada de: (Delfos René, 2011).

 

 

Suspensión de fibras tipo II: suspensión en la cual el movimiento de las fibras es limitado; 
es posible la rotación individual de cada fibra con la posibilidad de colisionar con otras; las 
fibras  están  en  permanente  contacto  unas  con  otras,  aproximadamente  dos  puntos  de 
contacto  por  fibra.  A  consecuencia  de  estas  características  las  fibras  tienden  a  formar 
flóculos en la suspensión. Este tipo de suspensiones ocurre para               
 

 

Ilustración 5-10.Suspensión de fibras tipo II. Adaptada de: (Delfos René, 2011).

 

 

Suspensión  de  fibras  tipo  III:  suspensión  en  la  cual  las  fibras  se  encuentran  totalmente 
rígidas y bloqueadas debido a la formación de redes, las cuales restringen el movimiento y 
la rotación de las mismas. Este tipo de redes, aunque también son flóculos, se diferencian 
de los flóculos formados en la suspensión de fibras tipo II, en el tamaño y en la libertad de 
movimiento de las fibras (tipo II: capacidad de movimiento unitario de las fibras; tipo III: 
fibras totalmente restringidas en movimiento), más de tres contactos por fibra. Este tipo 
de suspensiones ocurre para        .    

 

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Ilustración 5-11. Suspensión de fibras tipo III. Adaptada de: (Delfos René, 2011). 

El  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  ocurre    únicamente  para  flóculos  formados  en    la 
suspensión de fibras tipo II, debido a  que la libertad de movimiento de las fibras impide que los 
flóculos opongan resistencia al flujo, además incide  el tamaño,  menor al de los flóculos formados 
en  las  suspensiones  tipo  III,  permitiendo  que  se  desplacen  con  el  flujo.  En  contraposición,  los 
flóculos  formados  en  las  suspensiones  de  fibras  tipo  III,  debido  a  su  gran  tamaño  tienden  a 
separarse del flujo, ubicándose en las paredes de la tubería, oponiendo resistencia al flujo, y en la 
mayoría de los casos, convirtiendo el flujo a velocidad constante asemejándolo al movimiento de 
un pistón. 

El grado de floculación y el tamaño de los flóculos, además de la concentración se ven afectados 
por las dimensiones  de  las fibras presentes  en la suspensión, específicamente por la relación de 
aspecto, la cual está dada por la siguiente ecuación: 

 

   

 
 

 

Ecuación 5-22. Relación de aspecto de fibras. 

 

 

El  efecto  de  la  relación  de  aspecto expresa  que  entre  mayor  sea  su  magnitud,  la  formación  y  el 
aumento  en  el  tamaño  de  los  flóculos  es  más  sensible  al  aumento  en  la  concentración  y  en  el 
número  de    aglomeración,  tal  como  se  puede  apreciar  en  la  Gráfica  5-14.  Sin  embargo,  para 
relaciones de aspecto menores o iguales a 25, la floculación es inestable, la concentración no tiene 
influencia alguna sobre el tamaño de los flóculos (Gráfica 5-15), lo que hace difícil la predicción de 
los  efectos  sobre  el  flujo  turbulento.  Por  el  contrario,  para  valores  de  relación  de  aspecto 
superiores a 25, el proceso de  floculación es  estable, es  posible  establecer  una relación entre  la 
concentración  y  el  tamaño  de  los  flóculos,  y  una  tendencia  en  cuanto  a  efectividad  en  la 
disminución de las pérdidas por fricción.  

La relación de aspecto, dado que involucra el diámetro de las  fibras, sugiere que solo es posible 
obtenerla para fibras con sección transversal circular; sin embargo, establecida la condición de que 
las  fibras  generalmente  tienen  una  sección  transversal  geométricamente  distinta  o  que  no  es 
perfectamente  circular,  es  necesario  encontrar  una  relación  que  permita  obtener  un  diámetro 

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teórico  que  supla  esta  variable.  Esto  se  logra  a  través  de  una  técnica  de  análisis  en  la  cual  se 
circunscribe la sección transversal de la fibra dentro de una elipse de radio mayor   y radio menor 
 , posteriormente, se calcula el área de la sección transversal de dicha elipse (             ) y se 
relaciona  con  una  sección  circular  de  igual  área  transversal  (         

 

  ).  De  esta  manera  se 

obtiene una relación para el diámetro de fibras con sección transversal no circular        

√     . 

 

Gráfica 5-14. Efecto del número de aglomeración para suspensiones con diferentes valores de relación de aspecto. 

Adaptada de: (BEGHELLO, 1998), 

 

Gráfica 5-15. Efecto de la concentración de consistencia de masa en fibras con diferente relación de aspecto. 

Adaptada de: (BEGHELLO, 1998). 

Numerosos  estudios  se  han  llevado  a  cabo  para  establecer  correlaciones  entre  el  porcentaje  de 
reducción  de  arrastre,  la  relación  de  aspecto  y  la  concentración,  con  el  fin  de  estipular  rangos 
sobre los cuales se hace efectiva una disminución en las pérdidas por fricción, sin embargo estos 

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estudios no han tenido éxito alguno. Esto se debe a que además de la concentración y la relación 
de  aspecto,  variables  unitarias  de  las  fibras  como  la  rigidez,  textura  superficial  y  peso  influyen 
sobre el grado de reducción de arrastre.  

Tras una recopilación de datos relacionados con la reducción de fricción en suspensiones de fibras 
sintéticas,  proporcionados  por  diferentes  autores,  Zandi  realizó  estudios  en  los  cuales  buscaba 
mantener  unas  características  unitarias  muy  similares  entre  las  diferentes  fibras  utilizadas, 
mediante una constancia en la gravedad específica; los resultados obtenidos (Tabla 5-3) muestran 
que  entre  mayor  sea  la  relación  de  aspecto,  mayor  es  la  reducción  de  arrastre  y    menor  es  la 
concentración  necesaria.  Además,  constató  que  variaciones  de  relación  de  aspecto  entre  2  y 50 
muestran  mayores  cambios  en  la  reducción  de  arrastre,  mientras  que  variaciones  entre  valores 
muy  altos  (r=203⇀r=367)  de  relación  de  aspecto,  se  ven  reflejados  en  cambios  relativamente 
pequeños  de  reducción  de  arrastre.  Descubrió  igualmente  que  la  influencia  de  la  relación  de 
aspecto se debe a cambios proporcionados a las fibras: cuando inicialmente, existen relaciones de 
aspecto  bajas,  significan  fibras  muy  asimétricas;  para  relaciones  de  aspecto  mayores,  las  fibras 
tienden ser cilíndricas y rígidas, y entre mayor sea la relación de aspecto, la fibra más se asemeja a 
un hilo flexible capaz de enredarse y formar flóculos; finalmente, para relaciones de aspecto muy 
altas,  los  cambios  proporcionados  a  las  fibras  son  menores,  reflejándose  en  pequeñas 
fluctuaciones en la reducción de arrastre. El efecto de la relación de aspecto en la disminución de 
pérdidas por fricción, se puede apreciar claramente en la Gráfica 5-16.  

Tabla 5-3. Reducción de fricción en suspensiones de fibras sintéticas. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

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Gráfica 5-16.Efecto de la relación de aspecto en la disminución de las perdidas por fricción. Adaptada de: (Kerekes R. , 

1970). 

Pese a los estudios de Zandi, aún no se tiene una correlación clara entre las diferentes variables 
expuestas,  lo  cual  dificulta  establecer  una  tendencia  para  la  reducción  de  arrastre  en  las 
suspensiones de fibras, tal como se puede apreciar en la gráfica anterior, donde para un r=26, la 
curva de reducción de arrastre se comporta de manera extraña referente a las demás. 

Hasta el momento se ha hablado sobre los factores que influyen sobre el fenómeno de reducción 
de  arrastre,  sin  embargo,  para  entender  el  comportamiento  de  las  suspensiones  de  fibras  y  el 
mecanismo que permite la reducción en las pérdidas por fricción, es necesario analizar primero la 
forma  como  intervienen  en  el  flujo.  El  flujo  de  las  suspensiones  de  fibras  puede  ser  descrito  a 
partir  de  dos  categorías  básicas:  suspensiones  de  fibras  heterogéneas  y  suspensiones  de  fibras 
homogéneas. 

5.3.1.  Suspensión de fibras heterogénea 

Son aquellas suspensiones para las cuales existe una separación parcial de las partículas sólidas del 
fluido. Esto se debe a que las partículas (fibras) son incapaces de seguir el movimiento del flujo; 
generalmente,  la  velocidad  de  las  fibras  es  mucho  menor  que  la  del  flujo,  por  lo  cual  tienden  a 
depositarse  en  la  pared  de  la  tubería  formando  películas.  Esta  categoría  está  relacionada  con 
suspensiones tipo III, o con fibras de alto peso, para las cuales hay una restricción de movimiento. 
Esta restricción de movimiento evita cualquier fenómeno de reducción de arrastre, por lo cual se 
afirma que la suspensión de fibras heterogénea no reduce pérdidas por fricción. 

                  Concentración de consistencia de masa (%)

 

R

az

ó

n

 d

e p

érd

id

as

 d

e p

re

si

ó

n

 s

u

sp

en

si

ó

n

 d

e fi

b

ras

/A

gu

𝑷

𝑺

𝑷

)

𝟎

 

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5.3.2.  Suspensión de fibras homogénea 

Son aquellas suspensiones para las cuales las partículas sólidas o fibras se mantienen en el fluido 
durante el flujo, es decir, las partículas se encuentran suspendidas en el fluido y su velocidad es 
casi igual a la del flujo por lo cual no es posible la separación parcial. Esta capacidad se debe a la 
libertad  de  movimiento  de  las  fibras  a  consecuencia  del  movimiento  Browniano  y  a  las 
perturbaciones  turbulentas,  por  lo  cual  se  afirma  que  solo  suspensiones  tipo  I  y  II  suplen  esta 
categoría. Es esta libertad de movimiento la que permite el fenómeno de reducción de arrastre, 
sin  embargo,    sólo  las  suspensiones  tipo  II  son  capaces  de  disminuir  las  pérdidas  por  fricción 
debido a su capacidad de floculación. 

La  disminución  en  las  pérdidas  por  fricción  bajo  efecto  de  suspensiones  de  fibras  homogéneas,  
está  ligada  a  tres  regímenes  de  flujo  que  ocurren  secuencialmente  a  medida  que    aumenta  la 
velocidad, hasta alcanzar el régimen turbulento y originar el fenómeno de reducción de arrastre. 
Inicialmente, a velocidades muy bajas, se desarrolla el primer régimen de flujo en el cual las fibras 
se desplazan a velocidad constante a lo largo de toda la sección transversal de la tubería; a este 
flujo  se  le  conoce  como  flujo  de  pistón  (Región  1,  Gráfica  5-17),  debido  a  su  semejanza  con  el 
movimiento de dicho elemento. A medida que se aumenta la velocidad en el flujo, se desarrolla el 
segundo régimen, conocido como flujo anular, en el cual una capa de fluido rodea la suspensión 
de fibras e impide el contacto con la pared de la tubería (Región 2, Gráfica 5-17). Entre mayor sea 
la  velocidad  del  flujo,  las  fibras  se  ven  obligadas  a  concentrarse  en  un  núcleo  cada  vez  más 
pequeño; de igual forma, el grosor del flujo anular cada vez es mayor, causando un decrecimiento 
en el esfuerzo cortante en la pared de la tubería, y en consecuencia, se produce  un decrecimiento 
en  las  pérdidas  por  fricción  (Región  2  entre  el  pico y  el  mínimo,  Gráfica  5-17).  A  medida  que  el 
nivel de velocidad  aumenta, el núcleo de la suspensión de fibras se vuelve cada vez más pequeño, 
y de forma simultánea,  el flujo anular se convierte en turbulento hasta el punto en que destruye 
el núcleo, dando origen al tercer régimen llamado flujo de mezclado. En este último régimen las 
fibras se mezclan en la totalidad del flujo formando una suspensión homogénea; a partir de este 
momento se da un flujo turbulento a lo largo del diámetro y se origina el fenómeno de reducción 
de arrastre, por lo cual la curva del fluido con la suspensión de fibras (curvas continuas curvilíneas) 
es  mucho  menor  que  la  del  fluido  por  sí  solo,  en  este  caso  el  agua  (Región  3,  Gráfica  5-17) 
(Derakhshandeh, Kerekes, Hatzikiriakos, & Bennington, 2011).  

Dado  que  las  suspensiones  de  fibras  no  se  han  probado  en  crudos  pesados,  la  Gráfica  5-17  se 
construye a partir de experimentos de suspensiones de fibras en agua. 

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Gráfica 5-17. Comparación de curvas de pérdidas por fricción entre fluido (agua) con suspensión de fibras y fluido 

(agua) por sí solo. Adaptada de: (Derakhshandeh, Kerekes, Hatzikiriakos, & Bennington, 2011).  

La gráfica anterior expone los tres regímenes nombrados, mediante  la relación del cambio en la 

altura  hidráulica 

  

 

    (eje  de  las  ordenadas), y  la  velocidad     (eje  de  las  abscisas), en  una  escala 

logarítmica para  2 mezclas diferentes de suspensiones de fibras y agua, y agua  sola. Se observa 
claramente cómo en la región 3 existe un fenómeno de reducción de arrastre, ya que la curva de 
agua por sí sola (línea señalada) muestra mayores pérdidas por fricción. 

5.3.2.1. 

Reducción de arrastre en suspensión de fibras homogénea 

El  mecanismo  de  reducción  de  arrastre  en  suspensiones  de  fibras  homogéneas  puede  ser 
explicado mediante dos hipótesis igualmente válidas, las cuales surgen a partir de la forma como 
se  analice  la  suspensión,  ya  sea  una  Suspensión  Continua,  analizada  como  un  fluido  que  en  su 
totalidad es capaz de generar reducción de arrastre a consecuencia de propiedades viscoelásticas 
adquiridas  por  el  efecto  de  las  fibras,  o,  una  Suspensión  Discontinua,  donde  la  reducción  de 
arrastre  se  relaciona  con  la  acción  individual  de  las  partículas  unitarias    o  en  forma  de 
aglomeraciones (flóculos), presentes en la suspensión.  

La aplicación del análisis del fenómeno de reducción de arrastre como una Suspensión Continua 
depende  de  la  capacidad  individual  de  las  fibras  en  seguir  el  movimiento  del  flujo  en  dos 
situaciones distintas: 

 

Capacidad de movimiento en la dirección del flujo

La  inhabilidad  de  la  fibra  para  seguir  el  movimiento  del  fluido  en  dirección  del  flujo  se 
denomina “slip” (Ilustración 5-12), término que describe la velocidad relativa entre la fibra 
y  el  fluido,  es  decir,  si  la  velocidad  promedio  de  las  fibras  en  el  flujo  difiere 
considerablemente de la del fluido; entonces se afirma que existe “slip”, y por lo tanto, la 

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suspensión  no  puede  ser  considerada continua. Es  posible  determinar si  una  suspensión 
incurre o no en “slip”, mediante la siguiente desigualdad: 

 ̅    

 

 ̅

        

donde  

 

 es la velocidad promedio de las fibras en el flujo y   

̅ es la velocidad promedio del 

fluido. Si la desigualdad se cumple,  significa que la velocidad de las fibras difiere de la del 
fluido  en  una  magnitud  menor  o  igual  al  2,1%,  por  lo  tanto,  tienen  la  capacidad  de 
moverse  con  el  flujo  en  la  misma  dirección  (no  “slip”)  y  la  suspensión  puede  ser 
considerada como una Suspensión Continua. De lo contrario, se afirma que la suspensión 
incurre en “slip” y debe ser considerada como una Suspensión Discontinua. 

 

Ilustración 5-12. Efecto Slip. Fuente: (Autor). 

 

Capacidad de movimiento en las fluctuaciones turbulentas:

 

El movimiento de las fibras en dirección de las fluctuaciones turbulentas (dirección normal 
al  movimiento  del  flujo),  puede  dar  origen  a  una  velocidad  relativa  entre  las  fibras  y  el 
fluido. Las fluctuaciones turbulentas son producidas por el movimiento rotatorio de pares 
ordenados de vórtices (vórtices padre) orientados en la dirección del flujo, los cuales giran 
en  sentido  contrario,  succionando  el  fluido  de  la  región  cerca  a  la  pared  de  la  tubería  y  

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expulsándola  hacia  el  centro  de  la  tubería  (Ilustración  5-13),  lo cual  genera  una  zona de 
convergencia de flujo en el plano de la pared (zona resaltada en rojo) (Bohórquez, 2012). 
Esta  zona  de  convergencia  da  origen  a  los  denominados  Streaks,  definidos  como  una 
estructura turbulenta orientada en el sentido del flujo que define la trayectoria del fluido 
impulsado  por  el  efecto  de  los  vórtices.  Esta  trayectoria  se  caracteriza  por  una  zona  de 
bajas velocidades cerca a la pared de la tubería, la cual a medida que migra hacia el centro 
de  esta, aumenta  su  velocidad  hasta  el  punto en  que  la  velocidad  perpendicular  al  flujo 
puede  llegar  a  ser  la  mitad  de  la  velocidad  en  sentido  del  flujo,  culminando  en  un 
fenómeno de estallido o Bursting en el cual la velocidad cambia abruptamente, generando 
una  oscilación  en  el  Streak,  finalizando  con  la  desintegración  en  pequeños  movimientos 
turbulentos que regresan a la pared de la tubería(Ilustración

 

5-14).  

 
La  capacidad  de  movimiento  de  las  fibras  en  las  fluctuaciones  turbulentas,  radica  en  la 
capacidad  de  seguir  el  movimiento  del  fluido  a  lo  largo  de  la  trayectoria  del  Streak, 
obedeciendo las fluctuaciones de velocidad que se generan en este. 

 

 

Ilustración 5-13. Efecto de los vórtices en el perfil de velocidades. Basada en: (Bohórquez, 2012). 

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Centro de investigaciones en Acueductos y Alcantarillados- CIACUA 
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Ilustración 5-14. Movimiento de un streak hacia el centro de la tubería. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

Según Lumley, el criterio bajo el cual se determina la capacidad de las fibras para seguir el 
movimiento  en  las  fluctuaciones  turbulentas,  está  ligado  a  la  evaluación  de  tres 
parámetros: 

a)  La  longitud  total  individual  de  las  fibras  debe  ser  mucho  menor  que  la  longitud 

total  individual  del  vórtice  más  corto  desarrollado  en  el  flujo.  Se  debe  tener  en 
cuenta que la longitud del vórtice más corto desarrollado, no precisamente tiende 
a  cero,  ya  que  para  la  existencia  de  estas  estructuras  es  necesario  una  longitud 
inicial  que  contrarreste  los  efectos  de  la  viscosidad  del  fluido.  De  esto  se  infiere 
que se debe cumplir con:  
 

     

 

 

 
donde  

 

 es la escala Kolmogorov

22

 de la longitud del vórtice. 

 

b)  El número de Reynolds turbulento correlacionado con la longitud de la fibra debe 

ser pequeño. La correlación del número de Reynolds y la longitud de la partícula 
está dada por: 

 

    

 

 

   

 

 

 

Ecuación 5-23. Número de Reynolds 

turbulento con base en la longitud de 

la fibra. 

 
donde   

 

  son  las  fluctuaciones  de  velocidad  en  dirección  del  flujo  y     es  la 

viscosidad  cinemática.  Existe  cierta  controversia  sobre  la  clase  de  viscosidad 
cinemática  a  utilizar,  debido  a  que  las  suspensiones  de  fibras  son  materiales 
viscoelásticos  y  por lo tanto de viscosidad varía con el esfuerzo cortante, 

 

por lo 

                                                           

22

 Representa la menor longitud posible que un vórtice puede tener. 

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Página 69 

 

cual no es posible obtener una sola magnitud para el fluido ya que la distribución 
de esfuerzos a lo largo del diámetro de la tubería no es constante. Algunos autores 
como Eissenberg y Bougue, utilizan en sus estudios la viscosidad cinemática de la 
mezcla (fluido – suspensión) en la región cercana a la pared de la tubería donde el 
esfuerzo  cortante  es  mayor.  Otros  autores,  como  Thomas,  utilizan  la  viscosidad 
cinemática  de  la  mezcla  para  las  tasas  más  altas  de  cortante  aplicado.  No 
obstante,  autores  como  Murdoch  y  Kearsey  utilizan  la  viscosidad  cinemática  del 
medio  en  que  se  encuentra  la  suspensión  (fluido  por  si  solo),  en  el  caso  de  la 
hidráulica de oleoductos, sería la viscosidad cinemática del crudo bombeado.  
 

c)  El tiempo de relajación de las fibras (tiempo en que se libera el esfuerzo cortante), 

debe ser mucho menor al tiempo que toma disminuir la longitud del vórtice más 
largo  sobre  el  cual  son  eficientes  las  fibras,  a  la  escala  de  longitud  Kolmogorov, 
este  tiempo  recibe  el  nombre  de  escala  temporal  de  Kolmogorov.  En  otras 
palabras,  es  el tiempo que requiere la suspensión de fibras para contrarrestar la 
elongación de los vórtices mayores sobre los cuales es posible su efecto. Se debe 
cumplir entonces con la siguiente fórmula: 
 

 

 

 

 

 

     

  (    (

 

 

 

)    )    

 

 

 
donde  

 

 es el tiempo de relajación promedio de las fibras,  

 

 es la densidad de la 

suspensión,   es la densidad de la mezcla (fluido + suspensión de fibras) y  

 

 es la 

escala temporal Kolmogorov. 

 

 

Si se  cumplen los tres  parámetros expuestos se  afirma que  la suspensión de  fibras tiene 
capacidad  de  movimiento  en  las  fluctuaciones  turbulentas,  por  lo  cual  es  posible 
considerar la suspensión como una Suspensión Continua; de lo contrario, la suspensión es 
considerada como una Suspensión Discontinua. 

El  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  sólo  puede  ser  analizado  bajo  la  hipótesis  de  Suspensión 
Continua, si la suspensión tiene capacidad de movimiento en la dirección del flujo y capacidad de 
movimiento en las fluctuaciones turbulentas; por el contrario, si la suspensión de fibras no cumple 
con  ninguno  de  los  dos  criterios  o  cumple  sólo  con  uno,  se  debe  analizar  bajo  la  hipótesis  de 
Suspensión Discontinua. 

Es  necesario  empezar  por  tener  en  cuenta  que  la  mezcla  de  suspensiones  de  fibras  y  fluido  se 
comporta como un material con propiedades viscoelásticas; además, se debe comprender que la 
turbulencia  se  debe  principalmente  al  efecto  de  los  vórtices  (fluctuaciones  de  velocidad  en 

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dirección  del  flujo  y  perpendicular  a  este),  ligado  a  su  capacidad  rotativa,  la  cual  a  su  vez  es 
consecuencia de la transferencia de momentum radial al interior de los mismos.  

Teniendo  esto  claro,  la  hipótesis  del  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  en  una  Suspensión 
Continua plantea que la inyección de suspensiones de fibras se materializa en un incremento en la 
viscosidad de la mezcla, es decir, la mezcla es más viscosa que el fluido por sí solo. Sin embargo, en 
cualquier fluido newtoniano esto se traduciría en una mayor oposición al corte y a deformaciones 
tangenciales; en consecuencia, las pérdidas por fricción serían mucho mayores, pero teniendo en 
cuenta  que  la mezcla se comporta como un material viscoelástico y que  para cualquier material 
viscoelástico un aumento en la viscosidad significa, además de una mayor oposición al corte, un 
mayor  comportamiento  elástico  (la  contribución  elástica  es  mucho  mayor  que  la  contribución 
viscosa), entonces, se afirma que la inyección de suspensiones de fibras permite que el fluido esté 
gobernado  por  un  comportamiento  elástico,  el  cual  impide  que  los  vórtices  se  elonguen  por  el 
efecto del cortante en la pared de la tubería. 

De  alguna  forma,  la  elongación  de  los  vórtices  se  relaciona  con  la  transferencia  del  momentum 
radial  (principal  causa  de  las  fluctuaciones  de  velocidad  y  fenómeno  turbulento),  de  tal  manera 
que  al impedirse la elongación de los vórtices es posible la supresión del fenómeno turbulento y 
una reducción en el arrastre. En la medida en que el efecto del fenómeno de reducción de arrastre 
(efecto  de  un  mayor  comportamiento  elástico)  sea  mayor  que  el  efecto  de  un  incremento  en 
viscosidad (mayor oposición al corte), es posible disminuir las pérdidas por fricción. 

Existen dos hipótesis que sustentan la razón por la cual se da un aumento en la  viscosidad, y en 
consecuencia,  un  mayor  comportamiento  elástico:  la  primera,  propuesta  por  Dally  y  Bugliarello, 
sostiene que el aumento en la viscosidad y la elasticidad del fluido se debe a la floculación de las 
fibras,  específicamente  a  los  contactos  mecánicos  entre  fibras  que  aunque  permiten  el 
movimiento de las fibras, simulan una elongación elástica que disipa el cortante en la pared de la 
tubería.  La  segunda  hipótesis  surge  a  partir  de  observaciones  hechas  por  Carter,  quien  sostiene 
que la elasticidad se debe principalmente a las deformaciones propias de las fibras, las cuales se 
producen tras el enroscamiento individual de las mismas por el efecto del cortante. 

Por  otra  parte,  la  hipótesis  de  Suspensión  Discontinua  relaciona  el  fenómeno  de  reducción  de 
arrastre  con  la  acción  individual  de  los  flóculos  y  unidades  de  fibras.  Los  flóculos  y  unidades  de 
fibras establecen una región, entre un límite inferior ubicado a una distancia de  un diámetro de 
fibra  respecto  a  la  pared  de  la  tubería,  y  un  límite  superior  denominado  límite  sólido,  a  una 
distancia  equivalente  a  la longitud  promedio  de  las  fibras  respecto al  diámetro,  sobre  la  cual es 
posible la interacción con los vórtices del fenómeno turbulento (Ilustración 5-15). Dado que esta 
región  es  relativamente  pequeña  respecto  a  la  región  sobre  la  cual  es  efectivo  el  fenómeno 
turbulento, la interacción de las partículas sólidas (flóculos y fibras) sólo es posible con los vórtices 
formados  dentro  del  límite  sólido,  por  lo  cual  el  efecto  de  la  suspensión  de  fibras  afecta  cierto 
sector de la turbulencia (Ilustración 5-16).  

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Ilustración 5-15. Región de interacción comprendida entre el límite sólido y el límite inferior. Fuente: (Autor). 

 

Ilustración 5-16.Interacción partículas - vórtice. Fuente: (Autor). 

 
En la región de interacción, los flóculos y fibras tienden a organizarse en dirección del flujo al igual 
que  los  vórtices  desarrollados  dentro  del  límite  sólido;  de  esta  forma,  la  parte  de  las  fibras  o 
flóculos que interactúa con el vórtice es la sección transversal, por lo cual son posibles dos tipos de 
interacciones que dependen directamente del diámetro de la sección transversal: 

 

 

 

   

 

, si el diámetro del vórtice ( 

 

) es mayor al diámetro de la partícula ( 

 

, flóculo o 

fibra),  la  partícula  ejerce  un  arrastre  viscoso  sobre  el  movimiento  radial  del  vórtice, 
mediante  la  interacción  entre  la  superficie  de  la  fibra  y  la  superficie  interna  del  vórtice, 
impidiendo  la  transferencia  de  momentum  radial  y  suprimiendo  las  fluctuaciones 
turbulentas. En la Ilustración 5-17 se muestra este tipo de interacción, donde el esquema 
en rojo representa el vórtice y su movimiento radial, mientras que el esquema en negro 
representa las fibras y la oposición al movimiento radial del vórtice (arrastre viscoso). 

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Ilustración 5-17. Interacción fibras - vórtice para 

 

 

   

 

. Fuente: (Autor). 

 

 

 

   

 

, si el diámetro del vórtice ( 

 

) es menor al diámetro de la particula ( 

 

, flóculo o 

fibra),  la  partícula  simplemente  bloquea  el  vórtice  por  completo  e  impide  cualquier 
movimiento radial, suprimiendo así las fluctuaciones turbulentas. 

 

Si el mecanismo es interpretado en términos de una reducción turbulenta, debida a la oposición al 
momentum radial por un arrastre viscoso, o, simplemente por bloqueo total del vórtice, es claro 
que  es  la  acción  de  las  fibras  en  la  región  cercana  a  la  pared  de  la  tubería  lo  que  causa  el 
fenómeno de reducción de arrastre (Kerekes R. , 1970).  

Teóricamente es posible cuantificar la reducción de arrastre de una Suspensión Discontinua bajo 
una interacción  

 

   

 

; bien se sabe que es dentro de la zona de interacción donde las fibras se 

alinean en dirección del flujo exponiendo el área superficial a los movimientos radiales del vórtice, 
por  lo  cual  es  posible  afirmar  que  la  reducción  de  arrastre    es  función  del  área  superficial  total 
proyectada de las fibras en la zona de interacción (Ecuación 5-24), área que depende del diámetro 
de la sección transversal ( 

 

) y de la longitud total ( ) de la fibra.  

 

∑  

 

|

     

      

 

Ecuación 5-24. Área superficial total proyectada en la 

región de interacción. 

 

En  la  ecuación  anterior  se  expresa  el  área  total  superficial  como  una  sumatoria  de  las  áreas 
superficiales de las fibras presentes dentro de la región de interacción comprendida entre       
(límite  sólido)  y       

 

  (diámetro  de  la  partícula);  la  razón  por  la  cual  el  límite  inferior  no 

corresponde a la pared de la tubería, se debe al efecto de rebote entre las partículas y la pared de 
la tubería que impide que las fibras se acerquen a menos de  

 

 . Ahora bien, es necesario evaluar 

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el área proyectada dentro de estos límites; dado que el área proyectada depende de la cantidad 
de  fibras  presentes  dentro  de  la  región  de  interacción,  es  de  vital  importancia  encontrar  la 
concentración  de  la  suspensión  en  dicha  región  para  su  cálculo;  sin  embargo,  por  el  efecto  de 
rebote  esta  concentración  difiere  de  la  concentración  total  de  la  suspensión.  Según  Kerekes,  la 
concentración en la región de interacción ( 

 

) depende de la concentración total de la suspensión 

 

)    y  de  la  uniformidad  de  dispersión  de  las  fibras  a  lo  largo  del  radio  de  la  tubería.  Para 

suspensiones tipo II, la uniformidad de dispersión está directamente relacionado con la frecuencia 
de colisiones entre fibras  

 

. De esta manera se tiene:  

 

 

 

    ( 

 

)    

 

 

Ecuación 5-25. Concentración de la suspensión en la 

región de interacción. 

 

donde   ( 

 

) representa la uniformidad de dispersión en función  de la frecuencia de colisiones. 

Teniendo en cuenta que en suspensiones tipo II, las colisiones entre fibras ocurren principalmente 
debido a movimientos rotacionales, es posible estimar   

 

 en  función del número de fibras dentro 

de  un  volumen  esférico  de  diámetro    igual  a  la  longitud  de  la  fibra  promedio  (número  de 
aglomeración,  

 

) y la frecuencia rotacional de una fibra individual ( ): 

 

 

 

    ( 

 

  ) 

Ecuación 5-26. Frecuencia de colisiones entre fibras. 

  

La frecuencia rotacional de una fibra individual depende de las condiciones del flujo, su explicación 
y cálculo se sale del alcance de este proyecto.  

Dado que  

 

 depende de  

 

 y r (relación de aspecto) se obtiene: 

 

 

    ( 

 

  ) 

 

Ecuación 5-27.Frecuencia de colisiones entre fibras. 

Finalmente, la concentración en la región de interacción puede ser expresada como: 

 

 

    ( 

  

  )    

 

 

Ecuación 5-28. Concentración de la suspensión en la 

región de interacción. 

 

Una  vez  obtenida  la  concentración  en  la  región  de  interacción,  es  posible  cuantificar  el  área 
superficial total proyectada mediante la siguiente relación: 

∑  

 

   

 

        

 

Ecuación 5-29. Área superficial total proyectada en la 

región de interacción. 

 

 

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donde  

 

 es el número total de fibras en la región de interacción,  evaluado a partir del número 

de densidad de fibras ( 

 

) y el volumen de la sección transversal de la región de interacción ( 

 

en la siguiente relación: 

 

 

   

 

   

 

 

Ecuación 5-30. Número total de fibras en la región de 
interacción. 

 

donde  

 

 es la cantidad de fibras por unidad de volumen dada por la razón entre la concentración 

en la región de interacción y el volumen individual de una fibra promedio: 

 

 

 

 

 

   

     

 

   

 

Ecuación 5-31. Densidad de fibras. 

 

y   

 

  es  el  volumen  transversal  de  la  región  comprendida  entre  los  límites  de  la  región  de 

interacción (Ilustración 5-15): 

 

 

 

 
 

  [(         

 

   )

 

  (         

 

   )

 

]  

Ecuación 5-32. Volumen transversal de la región 
de interacción. 

 

donde   es el diámetro de la tubería,   

 

 y  

 

 son factores dependientes de la velocidad media 

del  flujo  que  alteran  los  límites  inferior  y  superior  respectivamente;  sin  embargo,  como  se  verá 
más adelante en el presente proyecto, estos factores afectan muy poco dichos límites por lo cual 
en ocasiones no es necesario tenerlos en cuenta. 

Es posible cuantificar la reducción de arrastre mediante una razón entre las pérdidas por fricción 

del  fluido  con  suspensión  de  fibras  y el  fluido  sin  suspensión  de  fibras  (

 

 

 

 

).  Según  Kerekes,  esta 

relación es una función de la razón entre el área superficial total proyectada y el área de la pared 
interna de tubería: 

 

 

 

 

     (

∑  

 

|

     

     

 

 

 

Ecuación 5-33. Reducción de arrastre en Suspensión de 

fibras Discontinua, para 

 

 

   

 

.

 

Lo cual se traduce en: 

 

 

 

 

     (

 

       )

     

)     (

 ( 

 

 )    

 

 

  ( 

 

       

 

   )   (   

 

 

       

 

   

 

)) 

 
 

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Esta ecuación se puede simplificar sustituyendo los valores  aproximados para   

 

  y  

 

  ( 

 

    y 

 

 

   ),  y  suponiendo  que  en  la  mayoría  de  las  suspensiones  tipo  II,  la  longitud  de  la  fibra  es 

mucho  menor  que  el  diámetro  de  la  tubería  (     )  y  mucho  mayor  que  diámetro  de  la  fibra 

misma  (     ),  originando    que  el  último  término  tienda  a  1  (   

 

 

    

 

  

 

   ).  Bajo  estas 

consideraciones se obtiene: 

 

 

 

 

     (

 ( 

 

 )    

 

 

  (     )) 

Ecuación 5-34.Reduccion de arrastre en Suspensión de 

fibras Discontinua, para 

 

 

   

 

 

A pesar de las correlaciones establecidas por Kerekes y sus intentos por descifrar la reducción de 
arrastre  teóricamente,  hasta  el  momento  no  se  ha  logrado  establecer  una  relación  clara  para 
cuantificar  la  reducción  de  arrastre,  tanto  para  Suspensiones  Continuas  como  Suspensiones 
Discontinuas; esto se debe a la difícil predicción del comportamiento tanto de las fibras como de 
las  numerosas  variables  que  intervienen  en  el  mismo.  No  obstante,  la  mayoría  de  los 
investigadores  recurren  a  la  modelación  experimental  para  fundamentar  sus  hipótesis  y 
determinar la reducción en las pérdidas por fricción. 

Con  el  fin  de  caracterizar  el  flujo  bajo  el  efecto  de  las  suspensiones  de  fibras  y  cuantificar  la 
reducción de arrastre, se analizarán los resultados experimentales obtenidos por Kerekes, para los 
cuales  se  modeló  el  flujo  del  agua  con  suspensiones  de  fibras  cilíndricas  de  nylon  a  diferentes 
concentraciones y diferentes relaciones de aspecto, teniendo siempre como referente el flujo del 
agua  sin  ninguna  modificación.  A  continuación  se  muestran  los  tipos  de  fibras  utilizadas  por 
Kerekes en sus estudios: 

Tabla 5-4. Tipos de fibras experimentales. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

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Sebastián Aguas Lozano   

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Los  resultados  obtenidos  permitieron  analizar  el  efecto  de  las  fibras  sobre  el  flujo  desde  dos 
perspectivas diferentes. Por una parte, es posible analizar el efecto de la concentración, la relación 
de aspecto y la velocidad media del flujo en la reducción de arrastre de las suspensiones de fibras. 
Por otra parte, se puede analizar también el efecto del fenómeno de reducción de arrastre sobre 
los perfiles  de velocidad con el fin de  comprender  mejor la forma como se  atenúa el fenómeno 
turbulento. 

 

Gráfica 5-18. Efecto de la concentración y relación de aspecto en suspensión de fibras de Nylon para una velocidad 

media de flujo de 8 p/s. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

En la gráfica anterior se corrobora el efecto de la relación de aspecto y la concentración expuesto 
anteriormente, donde para altas relaciones de aspecto se necesitan bajas concentraciones con el 
fin de alcanzar altos porcentajes de reducción de arrastre. De igual forma, se aprecia la existencia 
de  una  segunda  concentración  crítica,  a  partir  de  la  cual  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre 
disminuye hasta el punto en que el arrastre llega a ser mayor que el del fluido por si solo (agua).  

Es  importante  analizar el efecto  de  la velocidad  sobre  el fenómeno  de  reducción  de  arrastre.  Al 
comparar la Gráfica 5-18 la Gráfica 5-19, se nota claramente, cómo un cambio en la velocidad 
media del flujo no tiene  grandes  consecuencias sobre  el fenómeno de  reducción de  arrastre, ya 
que las curvas para cada tipo de fibra no se ven modificadas en gran magnitud. Esto se debe a la 
poca  sensibilidad  de  la  región  de  interacción,  en  otras  palabras,  la  región  de  interacción 
permanecerá  casi  igual  y  las  fibras  tendrán  el  mismo  efecto  sin  importar  qué  tan  grande  es  el 
cambio en la velocidad media. La única consecuencia de la velocidad, radica en un aumento en los 
coeficientes  

 

 y  

 

, los cuales tal como se puede apreciar en la Tabla 5-5 son mínimos, por lo cual 

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el  efecto  sobre  la  región  de  interacción  y  en  consecuencia  sobre  el  fenómeno  de  reducción  de 
arrastre es limitado. 

 

Gráfica 5-19. Efecto de la concentración y relación de aspecto en suspensión de fibras de Nylon para una velocidad 

media de flujo de 10 p/s. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

Tabla 5-5. Coeficientes K1 y K2. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

Los resultados mostrados permiten identificar tres comportamientos en el fenómeno de reducción 
de arrastre que se afirma, ocurren para cualquier tipo de suspensión de fibras; el primero ocurre 
para el caso de disminuciones en las pérdidas por fricción menores al 5%, para las cuales, como se 

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puede  apreciar  en  la  Gráfica  5-19,  el  comportamiento  no  es  lineal,  es  decir,  no  existe  una 
proporcionalidad  entre  un  incremento  en  la  concentración  y  el  fenómeno  DR.  El  segundo 
comportamiento ocurre para          , el cual puede ser descrito como una tendencia lineal y 
que puede ser formulado  por una ecuación de primer grado; sin embargo, esta ecuación depende 
de  las  características  de  la  fibra  tal  y  como  se  mostró  en  los  planteamientos  teóricos.  Para 
suspensiones  de  nylon  con  las  características  mostradas  en  la  Tabla  5-5,  Kerekes  establece  la 
siguiente relación lineal: 

 

 

 

 

   

 

   

 

  ( 

 

   ) 

Ecuación 5-35. Reducción de arrastre en suspensiones de 
fibras de nylon. 

 

Existe un tercer comportamiento, ya antes nombrado,  en el cual el arrastre empieza a aumentar 
hasta el punto en que se inhibe el fenómeno de reducción de arrastre. 

Para  comprender  mejor  la  forma  como  se  atenúa  el  fenómeno  turbulento  y  el  efecto  del 
fenómeno  de  reducción  de  arrastre  sobre  el  flujo,  es  necesario  analizar  las  variaciones  en  los 
perfiles de velocidad. Para este análisis Kerekes experimenta con un tipo de suspensión de fibras 
de nylon en concentraciones y relaciones de aspecto diferentes (Tabla 5-6), realizando entre 2 y 3 
mediciones por cada suspensión (S-1, S-2, S-3, etc).  

Tabla 5-6. Suspensión de fibras utilizada para el cálculo de perfiles de velocidad. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

El análisis de los perfiles de velocidad permite identificar 4 instancias que reflejan el efecto de las 
suspensiones  de  fibras  sobre  el  flujo;  estas  instancias  reciben  el  nombre  de  subregímenes 
turbulentos: 

 

Turbulencia newtoniana (Newtonian Turbulence en inglés): 
Es  el  primer  subrégimen,  el  cual  ocurre  a  concentraciones  muy  bajas  para  las  cuales  no 
existe  diferencia  entre  los  perfiles  de  velocidad  del  fluido  por  sí  solo  y  el  fluido  con  la 
suspensión de fibras, no existe reducción de arrastre y por ende el fenómeno turbulento 
no  se  ve  suprimido  por  el  efecto  de  las  fibras.  El  comportamiento  del  fluido  con  la 
suspensión  es  igual  al  fluido  por  sí  solo,  es  decir,  no  existe  un  comportamiento 
viscoelástico por efecto de las fibras (Gráfica 5-20)
 
 

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Gráfica 5-20. Perfil de velocidad Turbulencia Newtoniana. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

Turbulencia amortiguada (Damped Turbulence en inglés): 
A medida que se aumenta la concentración, el perfil de velocidad tiende a laminarizarse, 
adquiriendo  una  forma  puntiaguda  en  el  centro  de  la  tubería.  La  laminarización 
incrementa  los  gradientes  de  velocidad  en  la  zona  cercana  a  la  pared  de  la  tubería, 
manifestando la ocurrencia del fenómeno de reducción de arrastre en esta zona. El efecto 
de las fibras, aunque ocurre en la región cercana a la pared de la tubería, afecta el perfil 
total del flujo. El fluido en su totalidad corresponde a una suspensión tipo II, señalando la 
característica de este subrégimen (Gráfica 5-21 y Gráfica 5-22)
 

 

 

Gráfica 5-21. Perfil de velocidad Turbulencia Amortiguada. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

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Gráfica 5-22.Perfil de velocidad Turbulencia Amortiguada. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

Turbulencia de pistón (Plug Turbulence): 
Es  el  sub  régimen  turbulento  en  el  cual  se  da  la  mayor  reducción  de  arrastre,  y  esto  se 
debe a que se alcanzan gradientes de velocidad muy altos cerca de la pared de la tubería. 
Ocurre  a  mayores  concentraciones  y  se  caracteriza  por  que  la  máxima  reducción  de 
arrastre se da en el momento en que la suspensión comienza a adquirir el estado tipo III 
en la región central de la tubería (debido al aumento de la concentración a medida que se 
aleja de la pared), aplanando el perfil de velocidad, mientras que en la región próxima a la 
pared de la tubería, la suspensión continúa en estado tipo II, lo que permite la supresión 
del régimen turbulento. Este sub régimen se caracteriza por la mezcla de los dos tipos de 
suspensiones  (II  y  III);  sin  embargo,  la  turbulencia  solo  ocurre  en  la  región  cercana  a  la 
pared  de  la  tubería  (suspensión  tipo  II),  debido  a  la  formación  de  redes  de  fibras  en  el 
centro de la misma que hacen que el flujo se mueva a velocidad constante (Gráfica 5-23 
Gráfica 5-24)
 

 

Gráfica 5-23. Perfil de velocidad Turbulencia de pistón. Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

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Gráfica 5-24. Perfil de velocidad Turbulencia de pistón (Max DR). Adaptada de: (Kerekes R. , 1970). 

 

Flujo de Pistón (Plug flow): 
La última instancia no es un tipo de sub régimen turbulento sino un tipo de flujo en el cual 
existe una velocidad constante a lo largo del diámetro de la tubería. No existe ningún tipo 
de reducción de arrastre, por el contrario, el arrastre es mayor que el del fluido por sí solo. 
Este  flujo  se  caracteriza  por  que  el  fluido en  su  totalidad  corresponde  a  una  suspensión 
tipo III. 
 

 

Gráfica 5-25. Perfil de velocidad para el flujo de pistón (no DR). Adaptada de: (Kerekes R. J., 1970). 

Las Suspensiones de Fibras aunque tienen un efecto relevante en el flujo del agua, tal y como se 
ha expresado a lo largo del documento, se desconocen aplicaciones en la hidráulica de oleoductos. 
Sin  embargo,  el  desempeño  comprobado  teóricamente,  sugiere  que  este  tipo  de  agentes 

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reductores  pueden  ser  una  solución  viable  a  la  problemática  de  las  pérdidas  por  fricción  en  el 
bombeo de crudos pesados y extra pesados.  

Por otra parte, a diferencia de las Suspensiones de Fibras, existe un tipo de agente reductor que sí 
ha sido comprobado experimentalmente ante crudos pesados, e inclusive, se usa actualmente en 
la industria petrolera para el bombeo de este tipo de fluido. Se le denomina Agentes Reductores 
Poliméricos y su explicación se hará en el siguiente numeral. 

5.4.  Polímeros 

Los Agentes Reductores Poliméricos se definen como cadenas largas de macromoléculas formadas 
a  partir  de  la  unión  de  monómeros.  Es  el  agente  reductor  más  usado  en  la  industria  petrolera, 
destacándose  además  en  usos  relacionados  con  la  medicina  (supresión  de  ateroesclerosis, 
prevención  de  muerte  por  shock  hemorrágico),  transporte  de  agua  no  potable  en  tuberías  a 
presión y prevención de inundaciones en sistemas de alcantarillado, entre otras. 

A diferencia de los agentes reductores abarcados hasta el momento, para los cuales la disminución 
en  las  pérdidas  por  fricción  se  debe  a  la  formación  de  estructuras  superiores  como  las  micelas 
(Surfactantes) y flóculos (Suspensión de Fibras), las cadenas poliméricas interactúan con el flujo de 
manera individual, es decir, la supresión del fenómeno turbulento se debe a la suma de los efectos 
individuales de las cadenas poliméricas sobre el flujo mismo. 

Este  tipo  de  agentes  reductores  son  los  más  estudiados  hasta  el  momento.  Se  entiende  que  su 
capacidad  de  reducción  de  arrastre  se  debe  al  efecto  sobre  la  subcapa  laminar  viscosa;  no 
obstante,  su  efecto  sólo  puede  ser  concebido  dentro  del  flujo  turbulento,  pues  no  se  han 
registrado reducciones de arrastre en flujo laminar hasta el momento.  

Al  igual  que  las  micelas  en  los  surfactantes,  las  cadenas  poliméricas  son  elementos  que  al  ser 
inyectados  al  sistema  en  forma  de  solución,  adquieren  un  comportamiento  No  Newtoniano;  sin 
embargo, tienen la particularidad de no alterar el comportamiento del fluido sobre el cual actúan, 
por  lo  cual,  si  la  condición  del  fluido  es  inicialmente  Newtoniana,  no  importa  la  cantidad  de 
polímero inyectado y su concentración, el fluido seguirá actuando como un fluido Newtoniano.  

Su comportamiento es muy similar al de las micelas, con la diferencia de que sufren degradación 
por efecto de las deformaciones producidas por el esfuerzo cortante en la pared de la tubería. Su 
efectividad  depende  de  variables  como  el  peso  molecular,  la  concentración,  el  número  de 
Reynolds y el solvente utilizado. Dichas variables están correlacionadas entre sí.  

Por  una  parte,  al  igual  que  los  agentes  reductores  explicados  hasta  el  momento,  los  agentes 
poliméricos  necesitan  de  un  cortante  de  activación  y  una  tasa  de  aplicación  de  cortante  (onset 
phenomenon);  bien  se  sabe  que  estos  parámetros  se  asocian  con  un  número  de  Reynolds 
específico, a partir del cual se desarrolla el fenómeno de reducción de arrastre. Dicho cortante de 
activación  está  relacionado  directamente  con  la  naturaleza  del  polímero,  en  otras  palabras,  no 

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importa la concentración de las cadenas poliméricas, la forma como se inyecten o el tipo de fluido 
sobre  el  cual  se  inyecten,  siempre  y  cuando  se  maneje  el  mismo  polímero,  el  cortante  de 
activación va a ser el mismo. Esta condición solo puede variarse manipulando el peso molecular de 
los  monómeros  que  forman  las  macromoléculas  poliméricas;  un  aumento  en  el  peso  molecular 
disminuye  la  magnitud  del  cortante  de  activación  y  la  concentración  necesaria  para  generar 
reducción de arrastre. Sin embargo, esta acción aumenta la tasa de degradación del polímero, por 
lo cual puede disminuir la eficiencia. 

Generalmente los agentes reductores poliméricos están compuestos de monómeros de alto peso 
molecular;  se  utilizan  comúnmente  x-olefinas  por  su  condición  elástica  capaz  de  atenuar  la 
turbulencia.  Dado  que  este  tipo  de  agentes  son  comúnmente  cadenas  largas  y  elásticas,  es 
necesario  que  sean  disueltos  en  un  solvente  o  medio  acuoso  con  agentes  estabilizantes  que 
impidan  la  aglomeración  o  enredamiento  de  dichas  cadenas,  con  el  fin  de  garantizar  su 
funcionamiento  una  vez  sean  inyectados.  Este  tipo  de  solvente  puede  ser  agua,  alcohol,  éter  o 
algún tipo de hidrocarburo. Para las aplicaciones en la industria petrolera, se sobreentiende que  
es  un  hidrocarburo  (Bohórquez,  2012).  A  continuación  se  muestra  un cuadro  donde  se  exponen 
algunos de los agentes poliméricos de mayor uso, cabe resaltar que los utilizados en la industria no 
son solubles en agua. 

Tabla 5-7. Polímeros solubles y no solubles en agua. Fuente: (Bohórquez, 2012). 

 

5.4.1.    Fenómeno de reducción de arrastre en agentes poliméricos 

Una  vez  inyectados  los  polímeros  en  forma  de  solución  al  sistema,  la  acción  de  reducción  de 
arrastre  se  presenta,  al  igual  que  los  agentes  reductores  vistos  hasta  el  momento,  en  la  región 
próxima a la pared de la tubería, exactamente en la sub capa laminar viscosa, donde la interacción 
entre  polímeros  y  flujo  ocurre  en   

 

    .  Sin  embargo,  esta  interacción  no  incrementa  los 

gradientes de velocidad en esta zona como es de esperarse partiendo del análisis de los agentes 
reductores  ya  indagados.  Según  Yves  Dubief,  el  efecto  de  los  agentes  poliméricos  radica  en 
prolongar la subcapa laminar viscosa hacia la región turbulenta, manteniendo constante el perfil 

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de  velocidad  de  la  misma,  con  el  fin  de  laminarizar  el  flujo  y  disminuir  la  región  del  perfil 
logarítmico de velocidad (Gráfica 5-26).  

 

Gráfica 5-26. Perfil de velocidad para diferentes porcentajes de reducción de arrastre. Adaptada de: (DUBIEF, WHITE, 

TERRAPON, SHAQFEH, MOIN, & LELE, 2004). 

En la gráfica anterior se puede apreciar claramente la existencia de dos regímenes de reducción de 
arrastre debidos a la concentración, para los cuales el efecto de los polímeros sobre el flujo varía 
en cierto modo. El primer régimen se llama Régimen de Baja Reducción de Arrastre (DR<40%); se 
caracteriza  por  que  se  estira  la  subcapa  laminar  viscosa  y  se  reduce  y    traslada  la  región 
logarítmica del perfil de velocidades. No obstante, el perfil logarítmico del flujo con reducción de 
arrastre (perfil del símbolo circular vacío) es idéntico al del flujo sin reducción de arrastre (perfil de 
la línea punteada). En este régimen también se incrementan las fluctuaciones en la dirección del 
flujo y se atenúan las fluctuaciones normales al flujo (Gráfica 5-27).  

El segundo régimen se denomina Régimen de Alta Reducción de Arrastre (DR>40%); se caracteriza 
por  que  se  estira  un  poco  más  la  subcapa  laminar  viscosa;  la  región  logarítmica  es  más 
pronunciada asemejándose cada vez más a un perfil laminar. A diferencia del régimen anterior, las 
pendientes del perfil logarítmico cambian; en la Gráfica 5-26 se puede apreciar como la pendiente 
del  perfil  de  velocidad  de  la  región  logarítmica  del  flujo,  para  el  cual  se  tiene  una  reducción  de 
arrastre del 60% (perfil del símbolo rectangular relleno), es mucho más pronunciada que el perfil 
del  flujo  sin  reducción  de  arrastre  (perfil  de  la  línea  punteada).  En  este  régimen  también  se 
incrementan las fluctuaciones en la dirección del flujo y se atenúan las fluctuaciones normales al 
flujo (Gráfica 5-27)

Igualmente,  se  observa  de  forma  clara  en  la  gráfica  anterior,  que  para  todos  los  porcentajes  de 
reducción de arrastre, el perfil de velocidad en la subcapa laminar viscosa es igual, con lo cual se 
corrobora la afirmación planteada. 

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Dubief  aclara  que  en  forma  simultánea  al  estiramiento  de  la  subcapa  laminar  viscosa,  se 
incrementan las fluctuaciones de velocidad en el sentido del flujo, y se atenúan las fluctuaciones 
en  sentido  perpendicular  al  flujo  (fluctuaciones  que  crean  diferentes  zonas  de  velocidad  que 
originan en fenómeno turbulento), lo que permite atenuar el fenómeno turbulento. La atenuación 
de  las  fluctuaciones  perpendiculares  al  flujo,  se  debe  principalmente  al  efecto  que  tienen  los 
polímeros sobre los vórtices padre como se verá más adelante. 

 

Gráfica 5-27. Fluctuaciones en dirección del flujo ( 

 

  

, símbolos despegados) y perpendiculares a este ( 

 

  

, símbolos 

unidos por líneas), para diferentes porcentajes de reducción de arrastre. Adaptada de: (DUBIEF, WHITE, TERRAPON, 

SHAQFEH, MOIN, & LELE, 2004). 

Se ha explicado el efecto que causan los polímeros en el flujo turbulento, pero para comprender 
mejor las razones de los cambios en el comportamiento del flujo, es necesario entender la forma 
como interactúan los polímeros con las estructuras turbulentas y su efecto sobre las mismas. 

La reducción de arrastre a consecuencia de los agentes poliméricos a escala turbulenta, se debe a 
la combinación de dos efectos: oposición al estiramiento de los vórtices padre y atenuación de los 
movimientos oscilatorios de turbulencia. 

5.4.1.1. 

Oposición al estiramiento de los vórtices padre 

Claramente  el  estiramiento  de  los  vórtices  padre  es  un  evento  que  contribuye  al  desarrollo  del 
fenómeno turbulento. No obstante, la incapacidad de ocurrencia de este evento bajo la presencia 
de los agentes reductores poliméricos se debe a una propiedad particular de este tipo de agentes, 
denominada  viscosidad  de  elongación.  Este  término  es  una  medida  de  la  resistencia  al  flujo 
elongado

23

 de los vórtices padre, entre mayor sea su magnitud menor es el desarrollo (elongación) 

de dichos vórtices. 

                                                           

23

 Estiramiento de los vórtices padre a consecuencia de los esfuerzos cortantes en la pared de la tubería. 

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La  oposición a la elongación de  los vórtices padre  se  da a consecuencia de  una oposición de  las 
cadenas  poliméricas  a  su  propio  estiramiento,  es  decir,  la  viscosidad  de  elongación  es  una 
propiedad que describe la resistencia al estiramiento de las cadenas poliméricas, pero dado que 
dichas  cadenas  están  alineadas  en  dirección  del  flujo  en  la  región  de  desarrollo  de  los  vórtices 
padre,  en  consecuencia  estos  se  ven  afectados  por  dicha  propiedad  al  ser  restringidos  en  su 
estiramiento,  atenuándolos  en  cierta  forma  (Ilustración  5-18).  En  este  orden  de  ideas,  si  los 
vórtices padre son aplacados por las cadenas poliméricas, no se crearan vórtices hijo, y el efecto 
repetido de esto disminuirá la turbulencia significativamente (Bohórquez, 2012). 

Entre más se estiren las cadenas poliméricas, mayor será la oposición al estiramiento y por ende la 
viscosidad  de  elongación.  Esto  se  debe  a  que  al  igual  que  las  micelas  formadas  por  los 
surfactantes,  los  polímeros  son  materiales  viscoelásticos  que  desarrollan  esfuerzos  normales 
cuando  son  sometidos  a  deformaciones  longitudinales  (Ilustración  5-19).  Es  la  diferencia  de 
esfuerzos  normales  ( 

 

)  la  que  impide  el  estiramiento  de  las  cadenas  poliméricas,  pues  entre 

mayor sea  

 

 mayor es la viscosidad de elongación (Ecuación 5-36)

 

 

 

 

 

 

 ̇

 

 

Ecuación 5-36. Viscosidad de elongación. 

 

donde  ̇ es la tasa a la cual se estiran las cadenas poliméricas, está directamente relacionada con 
el esfuerzo cortante al cual es sometido el polímero en la pared de la tubería. 

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Ilustración 5-18. Oposición al estiramiento de los vórtices padre. Fuente: (Autor). 

 

Para entender mejor el efecto de la diferencia de esfuerzos normales, se va a suponer que se está 
observando  una  cadena  polimérica  que  está  siendo  sometida  a  esfuerzos  cortantes,  y  se  está 
estirando  (Ilustración  5-19  (a)).  A  medida  que  se  aumenta  el  esfuerzo  cortante,  se  empieza  a 
deformar  la  cadena  polimérica  y  se  empiezan  a  desarrollar  esfuerzos  normales  al  plano  del 
cortante ( 

  

) y al plano perpendicular al cortante ( 

  

), los cuales tratan de mantener la cadena 

en su estado inicial (Ilustración 5-19(b)). Sin embargo, a medida que se deforma más la cadena, el 
esfuerzo  

  

 es cada vez menor, lo que facilita el adelgazamiento de la misma. Al mismo tiempo 

los planos del esfuerzo  

  

 sufren una mayor deformación (Ilustración 5-19 (c)). En este orden de 

ideas,  entre mayor sea  la diferencia de  esfuerzos normales, mayor será la fuerza necesaria para 
contrarrestar la deformación axial de la cadena polimérica (mayor será   

  

).  Por lo tanto, entre 

mayor sea  

 

 la oposición al estiramiento será mayor.   

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Ilustración 5-19. Esfuerzos normales generados a partir del esfuerzo cortante. Fuente: (Autor). 

 

Al mismo tiempo que se da una oposición al estiramiento de los vórtices, ocurre el segundo efecto 
de los agentes reductores poliméricos. 

5.4.1.2. 

Atenuación de los movimientos oscilatorios de turbulencia 

A medida que se elongan y desarrollan los vórtices padres como  consecuencia del flujo elongado, 
se  empieza  a  desarrollar  una  pequeña  curvatura  que  le  permite  al  extremo  final  del  vórtice 
aproximarse  a  la  región  turbulenta  con  cierto  ángulo  (Ilustración  5-20).  Como  se  definió  en  el 
Numeral 5.3.2,  los vórtices crean zonas de bajas velocidades en dirección perpendicular al flujo en 
las zonas próximas a la pared de la tubería y zonas de altas velocidades (velocidades de hasta la 
mitad de  la velocidad media del flujo)  en la misma dirección, en  las zonas próximas a la región 
turbulenta.  Es  en  estas  zonas  de  altas  velocidades  donde  se  producen  movimientos  oscilatorios 
que culminan con eyecciones hacia el centro de la tubería,  permitiendo la disipación de energía 
(fenómeno de estallido o Bursting).  

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Ilustración 5-20. Ángulo de aproximación del vórtice padre hacia la región turbulenta. Fuente: (Autor). 

El ángulo de aproximación a la región turbulenta está directamente relacionado con la fuerza de 
las eyecciones hacia la región turbulenta y en consecuencia,  con la cantidad de energía disipada; 
entre mayor sea el ángulo de aproximación, más fuertes serán las eyecciones y mayores serán las 
pérdidas de energía en el sistema.  

Al  igual  que  una  oposición  al  estiramiento  de  los  vórtices  padre,  las  cadenas  poliméricas  tienen 
como efecto la disminución del ángulo de aproximación a la región turbulenta, atenuando así los 
movimientos oscilatorios y la fuerza de las eyecciones. 

Como se expresó anteriormente, el fenómeno de reducción de arrastre se debe a la combinación 
de  los  dos  efectos  explicados.  Cabe  resaltar  que  ambos  efectos  ocurren  simultáneamente.  Para 
entender  mejor  el  fenómeno,  se  mostrará  a  continuación  la  investigación  realizada  por  el 
Departamento  de  Ingeniería  Mecánica  de  la  Universidad  Estatal  de  Arizona  en  el  año  2008.  La 
investigación trata de  la modelación numérica de  las estructuras de turbulencia, para diferentes 
casos de reducción de arrastre (Bohórquez, 2012). 

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Ilustración 5-21. Reducción de arrastre en agentes poliméricos. Escenario DR=0%. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

La  investigación  analiza,  inicialmente,    un  escenario  de  cero  reducción  de  arrastre  (DR=0%).  En 
dicho  escenario  se  aprecia  claramente  la  existencia  de  gran  cantidad  de  vórtices  padre  que 
generan el fenómeno turbulento (Ilustración 5-21 (a)). De igual forma se observa que los vórtices 
padre  tienen  un  ángulo  de  aproximación  a  la  zona  turbulenta    de  alrededor  de  14°  (Ilustración 
5-21  
(b)),  lo  que  significa  que  se    están  generando  eyecciones  de  gran  magnitud,  permitiendo  
altas disipaciones de  energía. La ecuación en la  Ilustración  5-21 (b) equivale  a la magnitud de  la 
fuerza de las eyecciones en el sistema. 

 

 

Ilustración 5-22. Reducción de arrastre en agentes poliméricos. Escenario DR=18%. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

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Para  un  escenario  de  DR=18%,  se  observa  como  los  vórtices  padre  se  han  ido  atenuando  a 
consecuencia de la oposición al flujo elongado, debido a las cadenas poliméricas. Aunque el ángulo 
de aproximación a la región turbulenta ha disminuido por el efecto de los polímeros, la fuerza de 
las eyecciones permanece igual, y aún se registran grandes cantidades de energía disipada.  

 

Ilustración 5-23. Reducción de arrastre en agentes poliméricos. Escenario DR=61%. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

Posteriormente,  en  un  escenario  de  DR=61%,  se  ve  claramente  la  reducción  de  arrastre  a 
consecuencia  de  los  dos  efectos  mostrados.  Se  observa  como  los  vórtices  padre  e  hijo  han  sido 
atenuados a consecuencia de los polímeros, y como el ángulo de aproximación ha sido totalmente 

disminuido hasta el mínimo valor (0°), disminuyendo la fuerza en las eyecciones ( 

  

 

 

 

 

 

      ).  

Para  esta  instancia,  el  perfil  de  velocidades  ha  adquirido  una  forma  más  laminar,  la  subcapa 
laminar  viscosa  se  ha  extendido  hacia  la  región  logarítmica  y  en  consecuencia,  la  región 
logarítmica ha disminuido. 

Más allá del mecanismo mediante el cual los agentes reductores poliméricos logran disminuir las 
pérdidas  por  fricción,  existen  diferentes  variables  que  intervienen  de  una  u  otra  forma  en  el 
desempeño de  este  tipo de  agentes. Como se  había dicho, variables como la concentración y el 
número de Reynolds afectan directamente el grado de reducción de arrastre obtenido. 

Bien  se  sabe  que  para  que  se  activen  los  agentes  poliméricos,  es  necesario  un  cortante  de 
activación, el cual está asociado con un número de Reynolds. Por ende se podría afirmar que para 
cada tipo de polímero existe un Re a partir del cual son efectivos. La anterior afirmación no es del 
todo cierta, pues como se ha visto en muchos ensayos experimentales, el Re a partir del cual son 

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Página 92 

 

efectivos  los  agentes  poliméricos  varía  con  el  diámetro  de  la  tubería  a  través  de  la  cual  son 
bombeados. 

Virk,  en  sus  estudios,  con  el  fin  de  entender  la  hidráulica  del  flujo  bajo  la  inyección  de  agentes 
poliméricos,  evaluó  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  para  diferentes  diámetros  (desde 
2.92mm, hasta 32.1mm), obteniendo los siguientes resultados: 

 

Gráfica 5-28. Efecto del diámetro en el fenómeno de reducción de arrastre de Agentes Poliméricos. Adaptada de: 

(VlRK, 1975). 

En  los  resultados  obtenidos  por  Virk  se  observa  cómo  el  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  se 
inicia  a  diferentes  números  de  Reynolds,  dependiendo  del  diámetro  interno  de  la  tubería.  Sin 
embargo, se guarda cierta tendencia en la cual para mayores diámetros es necesario un Re mayor 
para activar los agentes poliméricos. Es necesario aclarar que en sus experimentos, Virk utilizó un 
sólo agente polimérico, con un único cortante de activación (7 N/ 

 

). Sin embargo, por el efecto 

del diámetro, este cortante de activación se alcanza para diferentes Re. 

Para entender el efecto del diámetro sobre la activación de los agentes poliméricos, es necesario 
entender  primero  la  manera  como  varían  las  pérdidas  por  fricción  en  flujo  tras  la  inyección  de 
dichos agentes.  

Existen  dos  regímenes  de  flujo  en  un  contexto  de  reducción  de  arrastre:  Régimen  polimérico  y 
Régimen de máxima reducción de arrastre. 

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En el régimen polimérico, el factor de fricción se ve afectado por las características naturales del 
polímero inyectado, bajo la siguiente relación planteada por Virk: 

 

√ 

  (     )      (  √ )                (√         

 

Ecuación 5-37. Régimen polimérico. 

   

El  Régimen  de  máxima  reducción  de  arrastre  es  la  máxima  reducción  posible;  sin  este  régimen 
sería posible aumentar la concentración aumentando la reducción infinitamente. Este régimen se 
alcanza siempre, sin importar el diámetro utilizado o el tipo de polímero inyectado. También se le 
conoce como la asíntota de máxima reducción y está dada por la siguiente ecuación planteada por 
Virk: 

 

√ 

          (     √ )         

 

Ecuación 5-38. Asíntota de máxima reducción de Virk. 

La  explicación  detallada  de  los  regímenes  de  reducción  de  arrastre  se  sale  del  alcance  de  este 
proyecto; sin embargo puede hallarse en la referencia (Bohórquez, 2012). 

En el régimen polimérico es clara la relación directa entre el diámetro (d), Re y el factor de fricción 
(f). Entre mayor sea el diámetro, mayor es  el coeficiente  de  fricción manteniendo constante Re, 
por  lo  cual  al  pasar  de  una  tubería  de  menor  diámetro,  a  una  de  mayor  diámetro  es  necesario 
aumentar  Re,  con  el  fin  de  disminuir  el  coeficiente  de  fricción  hasta  obtener  el  cortante  de 
activación bajo la siguiente relación: 

   

     

 

     

 

 

Ecuación 5-39. Coeficiente de fricción. 

 

donde  

 

 es el cortante en la pared de la tubería (cortante de activación) y   es la velocidad del 

flujo. 

Por  esta  razón,  entre  mayor  sea  el  diámetro,  mayores  Re  serán  necesarios  para  disminuir  el 
coeficiente de fricción hasta obtener el cortante de activación a partir del cual, por efecto de los 
agentes poliméricos, se atenúan las pérdidas por fricción (se disminuye aún más el coeficiente de 
fricción). 

Por otra parte, la concentración juega un papel muy importante en el fenómeno de reducción de 
arrastre,  ya  que  es  la  variable  que  estimula  la  variación  de  la  pendiente  del  fenómeno  de 
reducción de arrastre; entre mayor sea la concentración, mayor es la pendiente del fenómeno de 
reducción  de  arrastre,  es  decir,  menores  valores  de  fricción  se  alcanzarán  para  un  mismo  Re 
(Gráfica 5-29). 

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Página 94 

 

 

Gráfica 5-29. Efecto de la concentración en la reducción de arrastre. Adaptada de: (VlRK, 1975). 

Claramente, en la gráfica anterior se observa el efecto de la concentración; sin embargo, como se 
dijo anteriormente, este efecto se ve limitado por la asíntota de máxima reducción, por lo cual el 
aumento  en  la  concentración  se  hace  efectivo  hasta  cierto  punto.  También  es  posible  apreciar 
cómo, para diferentes concentraciones, la activación ocurre en un mismo Re (diámetro constante), 
lo que ratifica que el cortante de activación es una característica únicamente dependiente del tipo 
de polímero utilizado. 

Hasta  el  momento  se  ha  realizado  un  recorrido  sobre  los  diferentes  Agentes  Reductores, 
enfatizando sobre  los mecanismos que  permiten la disminución en las perdidas por fricción, sus 
usos  en  la  industria  y  las  variables  que  determinan  su  desempeño  al  ser  sometidos  a  flujos 
presurizados.  Sin  embargo,  dado  que  uno  de  los  principales  objetivos  es  relacionar  el  uso  de 
agentes  reductores  con  la  industria  petrolera  colombiana,  a  continuación  se  llevará  a  cabo  un 
análisis  sobre  la  posible  aplicación  de  dichos  agentes  bajo  este  enfoque,  profundizando  en    las 
ventajas, desventajas y la viabilidad técnica y económica de cada grupo de Agentes Reductores en  
comparación con sus semejantes. 

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6.  Viabilidad de los Agentes Reductores en la industria petrolera 

colombiana 

En Colombia anualmente se transportan alrededor de   458  Kbpd  (cifra  correspondiente  al 
transporte  realizado  para  el  año  2010),  de  los  cuales  266  Kbpd    que  corresponden  al  58%,  son 
transportados  por  el  Oleoducto  Central  de  Colombia  S.A  (OCENSA,  principal  oleoducto 
colombiano),  operado  por  la  multinacional  colombiana  Ecopetrol.  Este  oleoducto  cuenta  con  7 
estaciones de bombeo y almacenamiento que permiten enviar el crudo a través de una longitud 
aproximada  de  830  Km,    conectando  el  piedemonte  llanero,  principal  fuente  de  explotación  de 
recursos  petroleros  (ver  Sección  3.3),  con  el  principal  puerto  de  exportación  marítima  de  crudo 
ubicado  en  Coveñas.  No  obstante,  a  lo  largo  del  recorrido,  el  oleoducto  se  ve  enfrentado  a 
diferentes  solicitudes  medioambientales  y  climáticas  debidas  a  las  diferencias  topográficas  que 
plantea  el  terreno  por  el  que  atraviesa.  Dichas  solicitudes  influyen  directamente  sobre  el 
comportamiento de los Agentes Reductores inyectados.  

Para entender mejor la manera cómo influyen las solicitudes climáticas y medio ambientales sobre 
el oleoducto central de Colombia, se analizará la ubicación geográfica de los diferentes tramos que 
comprenden dicho oleoducto, esto con el fin de evaluar las condiciones del entorno en el cual se 
encuentran y las afecciones del mismo sobre el transporte. Para entender el siguiente análisis, se 
presenta  la  Ilustración  6-1,  donde  se  puede  apreciar  el  Oleoducto  Central  de  Colombia  y  los 
oleoductos secundarios que concurren en él. 

El inicio del Oleoducto Central de Colombia se encuentra en el piedemonte llanero, exactamente 
en la estación de bombeo Cusiana, ubicada en el departamento del Casanare, a una altitud de 402 
msnm. Esta es una zona húmeda donde la temperatura promedio es de 27°C, sin embargo puede 
llegar a los 30° en temporada seca.  

El crudo es bombeado hasta la estación El Porvenir a 33 Km, ubicado en el mismo departamento, a 
una altitud de 1113 msnm. Esta estación se encuentra en el inicio de la cordillera oriental, en lo 
que se considera como zona andina, para la cual las temperaturas pueden llegar a los 22°C. 

Posteriormente, el crudo se envía hasta la estación Miraflores ubicada en el Km 86. Esta estación 
se encuentra en el departamento de Boyacá, zona andina de la cordillera oriental, a una altura de 
1751 msnm., donde la temperatura promedio es de  18°C, sin embargo puede llegar a 15°C. 

Desde  la  estación  El  Porvenir  se  bombea  el  crudo  hasta  la  estación  La  Belleza  ubicada  en  el 
departamento  de  Santander,  a  223  Km  de  la  estación  Cusiana.  A  una  altitud  1975  msnm,  la 
estación  El Porvenir  puede  alcanzar  temperaturas  de  hasta  15°C.  No obstante  para  llegar  a esta 
estación,  el  oleoducto  debió  cruzar  la  cordillera  oriental,  alcanzando  altitudes  de  hasta  2500 
msnm, las cuales pueden llegar a temperaturas de hasta 9°C. 

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Posteriormente,  el  crudo  se  bombea  hasta  la  estación  Vasconia  (Boyacá,  134msnm),  de  allí  a  la 
estación Caucasia (Antioquia, 57 msnm) y finalmente a Coveñas (Sucre, 13 msnm). Se presenta el 
análisis detallado de la estación Coveñas, considerado como el escenario más crítico entre las tres 
estaciones, dadas sus similitudes en altitud. La última estación es el escenario donde se registran 
las mayores temperaturas posibles, las cuales pueden alcanzar los 38°C. 

 

Ilustración 6-1. Red de oleoductos de Colombia. Fuente: (OCENSA). 

Entendidos los diferentes escenarios sobre los cuales atraviesa el Oleoducto Central de Colombia, 
es  posible  afirmar  que  el  transporte  de  crudo  se  verá  afectado  por  un  amplio  rango  de 
temperaturas  (9°C-  38°C).  Claramente,  la  temperatura  es  una  variable  importante  en  el 
desempeño  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  por  lo  cual  debe  tenerse  en  cuenta  para  el 
análisis de la industria petrolera colombiana. 

Habiendo comprendido la magnitud del transporte a través de los oleoductos en Colombia, y las 
diferentes  solicitudes  que  presenta  este  tipo  de  transporte,  es  posible  establecer  las  ventajas  y 
desventajas de los diferentes Agentes Reductores de Arrastre. 

6.1. Ventajas de los Agentes Reductores de Arrastre 

Se puede afirmar, que los Agentes Reductores de rastre como conjunto de metodologías, tienen la 
capacidad  de  permitir  el  bombeo  de  un  caudal  mayor  disminuyendo  la  potencia  necesaria;  en 
otras  palabras,  tienen  la  capacidad  de  aumentar  la  eficiencia  en  el  transporte  de  crudo  para 
tuberías  presurizadas.  La  disminución  en  la  potencia  permite  que  el  oleoducto  utilice  menores 

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presiones  para  el  transporte,  lo  que  disminuye  el  riesgo  de  fugas  y  deterioro  de  las  paredes 
internas, prolongando la vida útil del mismo. 

Por  otra  parte,  se  sabe  que  el  número  de  estaciones  de  bombeo  en  un  oleoducto  se  debe  a  la 
necesidad de garantizar la presión de llegada del crudo. Dado que la presión en una tubería se ve 
afectada  por  las  pérdidas  por  fricción,  es  necesario  incluir  estaciones  de  bombeo  cada  cierta 
distancia,  con  el  fin  de  garantizar  que  las  pérdidas    por  fricción  para  los  tramos  comprendidos 
entre estaciones,  no sean suficientemente altas como para comprometer la presión de llegada del 
crudo.  La  inyección  de  Agentes  Reductores  de  Arrastre  al  sistema,  permite  atenuar  las  pérdidas 
por  fricción.  Al  existir  menores  pérdidas  de  presión  en  la  tubería,  es  posible  alargar  la  distancia 
correspondiente a los tramos entre estaciones de bombeo, lo que podría significar que se necesite 
un  menor  número  de  estaciones  para  el  transporte  entre  origen  -  destino.  De  igual  forma,  es 
posible  que  las  pérdidas  por  fricción  se  disminuyan  lo  suficiente  como  para  considerar  la 
implementación de oleoductos de menor diámetro y espesor para transportar un mismo caudal.  
De esta manera se podrían lograr grandes ahorros monetarios en infraestructura y dispositivos de 
bombeo. 

Además de estas ventajas generales, la implementación de cada tipo de agente reductor, tendría 
ciertos puntos positivos a destacar. 

6.1.1.  Ventajas de la implementación de Surfactantes como Agentes Reductores 

de Arrastre 

La  principal  ventaja  del  uso  de  Surfactantes  como  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  se  debe  su 
capacidad  regenerativa  después  de  ser  sometidos  a  esfuerzos  cortantes.  Como  se  planteó  en  el 
Numeral 5.2, una vez las redes de micelas compuestas por surfactantes son sometidas a esfuerzos 
cortantes  en  la  región  cerca  a  la  pared  de  la  tubería,  sufren  cierta  elongación  que  les  permite 
almacenar dicho cortante;  posteriormente  liberan su energía mediante un proceso de  relajación 
en el cual las micelas se separan de las redes y recuperan su estado inicial (estado no elongado). 
En su estado inicial tienen la capacidad de volver a formar redes de micelas y repetir el proceso. 
Este  mecanismo  permite  que  la  reducción  de  arrastre  sea  un  fenómeno  constante  que  solo 
culmine cuando las redes son sometidas a esfuerzos muy altos que causen su total destrucción.  

Esta  cualidad  regenerativa  es  una  ventaja,  ya  que  a  diferencia  de  los  otros  tipos  de  agentes 
reductores, los Surfactantes no deben ser inyectados en cada estación de bombeo, pues nunca se 
deterioran. Además, el eventual paso a través de las bombas no es un problema, a diferencia de 
los polímeros, en los cuales ocurre un daño total. 

Teniendo en cuenta que el oleoducto de mayor transporte en Colombia cuenta con 7 estaciones 
de  bombeo,  esta  ventaja  sería  de  gran  importancia  ya  que  no  se  necesitarían  sistemas  de 
inyección  de  agentes  en  cada  estación,  simplemente  se  realizaría  la  inyección  en  la  estación  de 
bombeo  inicial.  De  esta manera  se  lograrían  reducir muchos  costos en  cuanto a  infraestructura, 
sistemas de inyección y costos de los agentes reductores como tal. 

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6.1.2.  Ventajas de la implementación de Suspensiones de Fibras como Agentes 

Reductores de Arrastre 

Existen  3  ventajas  principales  en  el  uso  de  esta  metodología.  Partiendo  de  que  las  fibras  son 
materiales naturales o sintéticos suspendidos generalmente en agua, y que la implementación de 
este  método  requiere  concentraciones  bajas  (0-8%),  se  tendría  la  primera  ventaja,  la  cual  hace 
referencia al bajo costo de implementación. A diferencia de  los Polímeros y los Surfactantes, las 
Suspensiones de Fibras, se realizan a partir de materiales que pueden ser fabricados fácilmente, y 
para los cuales no existe un mercado monopolizado; por el contrario, su manufactura se debe a un 
mercado  bastante  avanzado  donde  existe  gran  cantidad  de  competidores  que  permiten  que  se 
manejen precios muy bajos, como lo es el mercado de los textiles.  

Las  fibras,  al  ser  materiales  naturales  o  sintéticos,  tienen  la  ventaja  de  ser  insensibles  a 
perturbaciones químicas y cambios en la temperatura. Esto hace posible que las suspensiones de 
fibras puedan ser utilizadas en cualquier tipo de crudo sin importar su composición química, y se 
puedan  combinar  con  otros  métodos  como  el  precalentamiento  del  crudo,  ya  que  las  altas 
temperaturas no tienen ningún tipo de repercusión en su comportamiento.  

Otra ventaja radica en que las suspensiones de fibras se pueden crear a partir de cualquier tipo de 
fibra,  siempre  y  cuando  la  relación  de  aspecto  y  la  concentración  sean  las  adecuadas.  No  es 
necesario verificar si existe compatibilidad entre el crudo y la suspensión, ya que son materiales 
que no modifican las propiedades del crudo. Además, la inyección de las suspensiones no altera la 
calidad de los productos derivados.  

Esta última ventaja es muy importante en el marco de la industria petrolera colombiana, ya que 
los principales pozos de extracción se encuentran ubicados en una zona (Llanos Orientales) donde 
predominan los cultivos de arroz y algodón, por lo cual se podrían utilizar fibras naturales como la 
cascarilla  de  arroz  y  las  fibras  de  algodón  para  crear  suspensiones.  Se  debe  aclarar    que  las 
Suspensiones  de  Fibras  solo  se  han  probado  en  el  ámbito  teórico;  por  lo  tanto  fibras  naturales 
como las que se acaban de nombrar nunca han sido utilizadas. 

6.1.3.  Ventajas de la implementación de Polímeros como Agentes Reductores 

de Arrastre 

La  implementación  de  este  método  tiene  dos  ventajas  muy  importantes  que  podrían  destacarlo 
sobre  los  otros  tipos.  La  primera  radica  en  que  las  cadenas  poliméricas  implementadas, 
generalmente  están  compuestas  de  moléculas  de  carbono  e  hidrógeno  en  un  solvente  que 
comúnmente  en  la  industria  es  un  hidrocarburo.  Esta  composición  química  permite  que  la 
inyección de polímeros al crudo transportado, no afecte la calidad de los productos derivados en 
su posterior refinamiento. Inclusive, esto significa que al final del transporte, no es necesario un 
proceso de  separación de los polímeros, y por ende se  evitan costos extras asociados con  dicho 
proceso.  Esto  permitiría  una  mayor  rentabilidad  en  las  exportaciones  de  crudo  para  la  industria 
petrolera colombiana. 

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Por otra parte, y es esta la gran ventaja para la aplicabilidad de este tipo de agentes en la industria 
petrolera  colombiana,  las  cadenas  poliméricas  al  ser  inyectadas,  además  de  producir  cierta 
reducción de arrastre, actúan como aislantes térmicos. Se sabe con certeza que la temperatura del 
crudo se ve afectada por la tasa de transferencia de calor entre la tubería y el crudo como tal. De 
igual forma, la temperatura de la tubería se ve afectada por la tasa de transferencia de calor entre 
el ambiente externo y la tubería como tal. En este orden de ideas se afirma que la temperatura del 
crudo se ve afectada directamente por el ambiente exterior a la tubería que lo transporta. Esto es 
lo que hace imposible mantener la temperatura del crudo constante a lo largo del oleoducto, más 
aún cuando el oleoducto se encuentra en un país como Colombia, donde el rango de variabilidad 
de la temperatura ambiente es bastante amplio (9°C-38°C). Sin embargo, la ventaja de los agentes 
poliméricos es que al ser inyectados al sistema, la tasa de transferencia de calor entre la tubería  y 
el  crudo  disminuye  notablemente,  pues  actúan  como  una  barrera  entre  ambas  fronteras.    Esto 
impide que la temperatura ambiente afecte la temperatura del crudo de una manera tan directa.  

En  el  Numeral    4.1  se  habló  del  precalentamiento  del  crudo  como  una  posible  solución  al 
transporte de crudos pesados; sin embargo, esta solución debía ser acompañada de otro método 
ya que por sí sola no sería efectiva. Conociendo las ventajas de los agentes Poliméricos, es posible 
pensar  en  la  combinación  de  ambas  metodologías  como  una  solución  para  incrementar  la 
reducción en el arrastre, pues bajo la inyección de polímeros, además de atenuarse las estructuras 
turbulentas, el crudo perdería menos calor a lo largo del recorrido, al mismo tiempo que gracias al 
precalentamiento  se  bombearía  un  crudo  con  una  viscosidad  muy  baja.  Esta  solución  podría 
emplearse para el bombeo de crudos pesados, ya que una de las mayores problemáticas reside en 
sus altas viscosidades. 

6.2.  Desventajas de los Agentes Reductores de Arrastre 

Las  desventajas  en  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre  son  muy  puntuales,  por  lo  cual  deben 
evaluarse específicamente para cada tipo de agente. 

6.2.1.  Desventajas de la implementación de Surfactantes como Agentes 

Reductores de Arrastre 

La  gran  desventaja  de  los  Surfactantes  es  la  compatibilidad  que  debe  existir  entre  este  tipo  de 
sustancias y el crudo a transportar. Las moléculas de surfactante tienen cierta polaridad química 
que debe ser estudiada en relación con las diferentes moléculas de hidrocarburo que hacen parte 
del  crudo,  esto  con  el  fin  de  garantizar  las  fuerzas  repulsivas  suficientes  para  dar  origen  a  la 
formación  de  micelas.    Además  de  esto,  este  tipo  de  sustancias  de  no  ser  compatibles  con  el 
crudo, pueden formar sales insolubles, jabones y precipitaciones que afectarían el flujo. 

Otra  desventaja  de  los  Surfactantes  está  dada  por  el  rango  limitado  de  temperaturas  para  los 
cuales  son  eficientes.  Esto  se  debe  a  que  las  micelas  (estructuras  que  permiten  la  reducción  de 
arrastre)  son  muy  susceptibles  a  cambios  en  la  energía  del  sistema.  Como  se  vio  en  el  Numeral 
5.2.5, las micelas cilíndricas (únicas capaces de  crear el fenómeno de reducción de  arrastre) son 

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formadas gracias al reordenamiento de los surfactantes, que inicialmente se encontraban en una 
forma  elipsoidal.  Este  cambio  de  una  estructura  elipsoidal  a  una  estructura  cilíndrica  se  debe  al 
aumento de la energía en el sistema, la cual genera un incremento en las fuerzas repulsivas que 
obligan a los surfactantes a ordenarse en otro tipo de estructura para mantener un equilibrio. Las 
moléculas  de  surfactante  son  muy  sensibles  a  estos  cambios,  por  ende  un  aumento  en  la 
temperatura se traduce en un aumento en la energía térmica y consecuentemente en la energía 
del  sistema;  esto  finalmente  obligaría  a  las  micelas  a  reorganizarse  en  estructuras  incapaces  de 
generar reducción de arrastre. Es por esta razón que los Surfactantes no son eficientes en amplios 
rangos de temperatura. 

Con  base  en  esto  es  posible  afirmar  que  en  un  oleoducto  como  el  de  OCENSA,  es  necesario 
analizar  la  viabilidad  de  los  surfactantes  como  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  pues  como  se 
analizó, este oleoducto atraviesa lugares con diferentes condiciones climáticas, lo que implica un 
amplio  rango  de  temperaturas  (9-38°C).  Entonces  es  posible  que  los  Surfactantes  sean  efectivos 
para ciertos tramos, mas no para todo la longitud del oleoducto. 

La última desventaja se debe a la necesidad de implementar un proceso de separación al final del 
transporte.  Los  Surfactantes  son  moléculas  que  podrían  alterar  la  calidad  del  crudo  y  sus 
derivados,  por  lo  cual  deben  ser  separadas  del  crudo  antes  de  su  refinación.  Los  procesos  de 
separación implican inversiones extras que aumentarían los costos de la implementación de este 
tipo de agentes. 

6.2.2.  Desventajas de la implementación de Suspensiones de Fibras como 

Agentes Reductores de Arrastre 

Al ser las suspensiones de fibras compuestas por materiales sintéticos o naturales ajenos al crudo, 
es posible que por el efecto de estos elementos se altere la calidad del crudo y sus derivados, lo 
que lleva a la primera desventaja. Al igual que en los Surfactantes, en las Suspensiones de Fibras es 
necesario  un  proceso  de  separación  al  finalizar  el  transporte,  que  permita  extraer  las  fibras  del 
crudo  sin  alterar  la  calidad  del  mismo.  La  implementación  de  este  tipo  de  procesos,  implica 
inversiones extras en infraestructura y personal, lo que aumentaría los costos de operación. 

Por  otra  parte,  partiendo  de  que  el  oleoducto  está  conformado  por  gran  cantidad  de  tuberías 
interconectadas  entre  sí,    es  posible  que  por  efecto  de  la  constante  rotación  de  las  fibras  a 
consecuencia  del  flujo,  se  generen  incrustaciones  repentinas  de  fibras  en  las  conexiones  del 
oleoducto.  La  repetición  de  este  evento  podría  generar  atascamiento  en  la  tubería 
comprometiendo  el  transporte  de  crudo.  De  ocurrir  esto,  debería  aumentarse  la  presión  de 
bombeo  para  romper  dichos  atascamientos,  lo  que  significaría  un  aumento  en  la  energía 
necesaria, efecto opuesto al concebido bajo el concepto de agente reductor. 

La  última  desventaja  de  las  Suspensiones  de  Fibras  es  consecuencia  de  la  capacidad  rotativa 
planteada en el párrafo anterior. Se conoce que el fenómeno de reducción de arrastre por efecto 
de  las  Suspensiones  de  Fibras,  se  debe  a  la  capacidad  de  alineación  de  los  flóculos  o  fibras 

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individualmente en dirección del flujo. Dicha alineación permite obstrucción total de los vórtices 
padre, o la atenuación de los mismos por el efecto de la viscosidad rotacional (ver página 65). Sin 
embargo, la capacidad rotacional de las fibras hace difícil su predicción, por lo cual no es posible 
anticipar la magnitud de reducción de arrastre que podría obtenerse para cierta concentración de 
fibras. 

Gran  cantidad  de  modelos  computacionales,    basados  en  el  análisis  del  comportamiento  de  las 
fibras en el flujo,  se han realizado con el fin de establecer patrones de movimiento que permitan 
predecir  acertadamente  las  magnitudes  de  reducción  de  arrastre  con  base  en  la  concentración 
empleada. Sin embargo, dado que existen muchas variables que podrían alterar el movimiento de 
las fibras, estos modelos no han tenido un éxito total. Por esta razón, las predicciones se generan a 
través de modelos experimentales y se extrapolan a modelos a escala real. 

6.2.3.  Desventajas de la implementación de Polímeros como Agentes 

Reductores de Arrastre 

Al  igual  que  en  los  surfactantes,  la  principal  desventaja  del  uso  de  polímeros  se  debe  a  la 
compatibilidad que  debe existir entre  este tipo de  sustancias, el solvente  empleado y el tipo de 
crudo a manejar. Como se estudió en el Numeral  5.4, la acción de un polímero solo es efectiva si 
éste  se  encuentra  disuelto  en  un  solvente  específico.  Sin  embargo,  no  todos  los  polímeros  son 
solubles en un mismo solvente; existen polímeros solubles en soluciones acuosas y en soluciones 
de hidrocarburos. No obstante, aunque exista compatibilidad entre el polímero y solvente, solo se 
podrá garantizar un fenómeno de  reducción de  arrastre  siempre  y cuando estas  sustancias  sean 
compatibles  con  el  crudo  a  transportar.  Por  todas  estas  razones,  con  miras  a  generar  una 
disminución en las pérdidas por fricción, es necesario estudiar detalladamente la compatibilidad 
entre estos tres conceptos. 

Otra  desventaja  de  los  agentes  poliméricos  se  encuentra  en  la  degradación  que  sufren  al  ser 
sometidos  a  esfuerzos  cortantes.  Dicha  degradación  es  consecuencia  del  rompimiento  de  la 
estructura lineal del polímero, hasta el punto en que sus componentes monómeros se encuentran 
libres y desligados unos de otros, lo que vuelve imposible un fenómeno de reducción de arrastre.  

Aunque  la  degradación  ocurre  en  todos  los  tipos  de  polímeros,  esta  se  ve  acelerada  por  un 
incremento en el peso molecular de los monómeros y la temperatura de la solución. Lo que crea 
cierta  controversia,  ya  que  por  una  parte,  un  incremento  en  el  peso  molecular  incrementa  la 
magnitud de la reducción de arrastre y aumenta el cortante de activación, lo que permite que los 
polímeros  sean  efectivos  a  menores  números  de  Reynolds.  De  igual  forma,  la  temperatura  al 
aumentarse  disminuye  la  viscosidad  del  crudo  permitiendo  su  fácil  bombeo.  En  este  orden  de 
ideas, el efecto del peso molecular, temperatura y degradación, debe analizarse como un conjunto 
de eventos, con el fin de hallar un equilibrio.  

La degradación polimérica no solo ocurre por efectos del cortante en la pared de la tubería, sino 
también por el paso de los polímeros a través de las bombas impulsadoras, lo que hace necesaria 

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la inyección de polímeros en cada estación de bombeo. Teniendo en cuenta que en el Oleoducto 
Central  de  Colombia  existen  7  estaciones  de  bombeo,  la  degradación  es  un  evento  a  tener  en 
cuenta,  pues  al  necesitarse  7  sistemas  de  inyección  de  polímeros  (uno  para  cada  estación)  los 
costos de inversión en infraestructura pueden elevarse bastante. 

Por último, existe una desventaja asociada con los costos de obtención de los agentes poliméricos. 
Esto se  debe  a que  en el mercado existen pocas empresas, protegidas por numerosas patentes, 
capaces de producir este tipo de agentes, lo que les permite fijar precios extremadamente altos  
para  su  comercialización. Esto  hace  que  empresas  transportadoras  como  OCENSA  (empresa  que 
actualmente utiliza este método) se vean en la necesidad de acogerse a estos precios, utilizando 
grandes cantidades de dinero para la ejecución de este método. 

Hasta  el  momento  se  ha  realizado  un  análisis  sobre  los  aspectos  positivos  y  negativos  de  los 
diferentes Agentes Reductores de Arrastre bajo el marco de la realidad colombiana. Con el fin de 
acentuar  un  poco  más  el  tema,  se  cree  necesario  indagar  sobre  la  manera  como  se  podrían 
implementar  este  tipo  de  sustancias  al  Oleoducto  Central  de  Colombia.  Las  secciones  Viabilidad 
técnica y Viabilidad económica de los Agentes Reductores de Arrastre, se plantean con este fin. 

6.3. Viabilidad técnica de los Agentes Reductores de Arrastre 

Para entender las necesidades en cuanto a infraestructura y aspectos operacionales que implica la 
inyección de agentes reductores, es necesario comprender de manera previa la función y forma de 
operación de las estaciones de bombeo, ya que es en estos puntos donde se realiza la inyección de 
sustancias. 

Las estaciones de bombeo son puntos estratégicos ubicados a lo largo del oleoducto, construidos 
con el fin de  elevar la presión de bombeo del crudo, la cual  ha sido afectada por las pérdidas por 
fricción.  Además  de  bombear  el  crudo,  las  estaciones  de  bombeo  cumplen  funciones  de 
almacenamiento y control de operaciones. A continuación se presenta el esquema general de una 
estación de bombeo típica: 

 

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Ilustración 6-2. Esquema de una estación de bombeo típica. Fuente: (Autor). 

En  el  esquema,  el  crudo  llega  a  la  estación  de  bombeo  a  través  del oleoducto  de  entrada;  si es 
necesario se envía a los tanque  de  almacenamiento, o de  lo contrario  se  bombea  a través  de  la 
Bomba  Principal,  la  cual  es  la  encargada  de  elevar  la  presión  de  bombeo  del  crudo  (principal 
función de las estaciones de bombeo). Si el crudo es almacenado, es necesario implementar una 
Bomba Recirculante que  permita mantener una temperatura constante. Para transportar el crudo 
almacenado en los tanques, se utiliza la Bomba Booster con el fin de bombear el crudo hasta el 
oleoducto principal. 

La inyección de Agentes Reductores de Arrastre, es una acción que se ejecuta una vez el crudo se 
haya bombeado a través de la Bomba Principal. Esto con el fin de que se generen condiciones de 
flujo  que  permitan  alcanzar  el  fenómeno  de  activación    (Onset  Phenomenon)  de  manera  más 
rápida.  La  inyección  de  este  tipo  de  sustancias  hace  necesaria  la  implementación  de  bombas 
inyectoras  de  alta  potencia  que  permitan  una  mezcla  total  con el  crudo. Para este  fin  se  podría 
implementar  una  bomba  inyectora  fabricada  por  la  compañía  especializada  en  bombas  para 
oleoductos HILLMANN S.A, cuya referencia es la Bomba Inyectora MP código BTG/HX (Ilustración 

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6-3).  Esta  referencia  es  capaz  de  manejar  presiones  de  hasta  4000  KPa,    y  una  temperatura  de 
hasta 150°C, las especificaciones pueden ser consultadas en la referencia (HILLMANN, 2013). 

 

Ilustración 6-3. Bomba Inyectora MP BTG/HX HILLMAN. Adaptada de: (HILLMANN, 2013). 

Además de las bombas de inyección, es necesaria la construcción de tanques de almacenamiento 
de  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  ya  que  este  tipo  de  sustancias  deben  estar  aisladas  en 
dispositivos  sellados,  con  el  fin  de  impedir  cualquier  modificación  en  su  concentración  o 
composición química (Surfactantes y Polímeros). Este tipo de tanques deben ser construidos según 
la regulación de  la norma API 650, por lo general son tanques  en forma de cigarrillo (Ilustración 
6-4). 
  

 

Ilustración 6-4. Tanque sellado para la implementación de DRAs. Adaptada de: (Facultad de Ingenieria UBA, 2007). 

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La infraestructura vista hasta el momento es necesaria para todos los tipos de Agentes Reductores 
de Arrastre. No obstante, para las Suspensiones de Fibras es necesaria la implementación de otros 
dispositivos considerados indispensables para la inyección.  

Dado que las fibras son materiales que por lo general son obtenidos en longitudes mucho mayores 
a las necesarias, deben ser cortadas para su implementación en las suspensiones.  Para el corte de 
las  fibras  se  considera    necesaria  la  adquisición  de  una  máquina  cortadora  rotativa.  La  empresa 
española LIDEM, especializada en maquinaria de  corte  textil, produce  una máquina denominada 
ROTATOR  (Ilustración  6-5),  capaz  de  cortar  filamentos  entre  1  y  300  mm,  con  una  eficiencia  de 
10.000 Kg/h.  

 

Ilustración 6-5. Máquina ROTATOR de Lidem. Adaptada de: (LIDEM, 2013). 

Se  debe  tener  en  cuenta  que  una  vez  conformada  y  almacenada  la  Suspensión  de  Fibras,  es 
indispensable implementar un mecanismo para impedir la sedimentación (situación que no ocurre 
con los Surfactantes y Polímeros), ya que las fibras no se disuelven en el solvente. En los montajes 
experimentales citados, se observó que la mayoría de los autores resolvían este problema a partir 
del uso de bombas centrífugas o rotodinámicas  incorporadas a los tanques de almacenamiento. 
Se cree conveniente la implementación de una bomba centrífuga de 50 HP. La compañía Mexicana 
Novem Sistemas de Agua, produce un dispositivo cuya referencia es Bomba Centrifuga K4L 50HP 
3450 RPM 5X4B (Ilustración 6-6) capaz de impedir la sedimentación de fibras. Las especificaciones 
del dispositivo pueden ser consultadas en la referencia (NOVEM, 2013).  

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Ilustración 6-6. Bomba centrífuga K4L 50HP 3450 RPM 5X4B Novem. Adaptada de: (NOVEM, 2013). 

Una vez comprendida la infraestructura necesaria para la inyección de los Agentes Reductores, es 
posible realizar el esquema de una estación de bombeo típica en donde sea posible esta acción: 

 

Ilustración 6-7. Esquema de una estación de bombeo típica, con infraestructura para la aplicación de DRAs. Fuente: 

(Autor). 

Se  ha  realizado  un  análisis  de  viabilidad  técnica  en  cuanto  a  la  infraestructura necesaria  para  la 
aplicación de DRAs, sin embargo, es indispensable  tener en cuenta la viabilidad operacional. Esta 
viabilidad se relaciona directamente con los costos que implica la implementación de DRAs, por lo 
tanto se analiza en el siguiente Numeral.  

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6.4. Viabilidad económica de los Agentes Reductores de Arrastre 

Se  realizará  un  análisis  de  costos  de  operación  e  infraestructura  necesaria  para  cada  tipo  de 
agente  reductor,  enfocado  al  Oleoducto  Central  de  Colombia,  ya  que  este  es  el  oleoducto  que 
transporta el mayor volumen por año (266 Kbpd) de crudo en el territorio colombiano.  

Como se sabe,  existen numerosos tipos de sustancias que podrían ser aplicadas por cada  tipo de 
agente reductor; por lo tanto el análisis se hará únicamente para una sustancia por cada tipo de 
agente  reductor.  El  criterio  de  selección  de  la  sustancia  se  basa  en  que  a  lo  largo  de  la  revisión 
bibliográfica hecha, se identificó dicha sustancia como la más eficiente y utilizada a nivel mundial 
en los montajes experimentales citados. 

6.4.1.  Viabilidad económica de los Surfactantes como Agentes Reductores de 

Arrastre 

De  los  montajes  experimentales  citados,  se  concluye  que  la  solución  de  surfactante  más  usada 
está  compuesta  por  el  surfactante  Dodecilsulfato  Sódico  (SDS)  en  un  medio  acuoso,  con  la 
presencia de moléculas de NaCl en función de contraión. Se encontró que la concentración crítica 
de formación de micelas (CMC)  para este tipo de solución equivale a 376,4 mM (ver página 32), y 
la concentración crítica  de formación de micelas cilíndricas es  igual a 17CMC (ver  página 33), es 
decir  6.399  mM.  De  igual  forma,  existe  una  relación  de  masa  1:1  entre  el  surfactante  y  el 
contraión, lo que indica que deberá agregarse el mismo peso para ambas sustancias en la solución. 

La  molaridad  (M)  es  una  medida  de  cantidad  de  soluto  por  unidad  de  volumen  dada  por  la 
siguiente relación: 

   

 

 

 

 

Ecuación 6-1. Molaridad 

 

donde, 

 

    Soluto en moles 

    Volumen en litros 
 

  está dado por la siguiente relación: 

 

   

            (  )

            (

  

   )

  

 

Ecuación 6-2. Moles de soluto 

 

 

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La masa molar del SDS es de  288,372 gr/mol. Esto  permite  calcular una cantidad de  surfactante 
SDS de 1.847 gr/litro, equivalente a 6.992,15 gr/galón de solvente (agua pura). La misma cantidad 
es utilizada para el contraión NaCl.  

El  uso  de  surfactantes  está  destinado  principalmente  a  sistemas  de  refrigeración  o  calefacción 
donde  el fluido empleado es  agua;  sin embargo, algunos estudios, como el de la Universidad de 
Akron  en  Ohio  (E.E.U.U),  han  experimentado  la  inyección  de  Surfactantes  en  algunos  tipos  de 
crudo. Las concentraciones de solución de Surfactantes utilizadas en los montajes experimentales 
varían entre los 20 y 45 ppm dependiendo del tipo de surfactante y crudo utilizado. No obstante, 
concentraciones mayores a 45 ppm no se han registrado hasta el momento.  

En este orden de ideas y utilizando una concentración de solución de 45 ppm (el caso donde se 
registrarían  los  mayores  costos),  es  posible  cuantificar  la  cantidad  necesaria  de  Surfactante  y 
contraión para transportar el volumen de crudo anual registrado por OCENSA.  

La cantidad de 266 Kbpd (transportada por OCENSA) equivale a 11.18 millones de galones por día. 
En este contexto, una concentración de  45 ppm, equivaldría a la inyección de 503.1 galones de 
solución de Surfactante SDS por día. Si se considera que el Oleoducto Central de Colombia opera 
360 días al año, serían necesarios entonces  181.116 galones  de  solución de  Surfactante SDS por 
año. Este volumen anual equivale  a aplicación de 1.266,39 toneladas de surfactante SDS, e igual 
cantidad para el contraión NaCl.  

En  Colombia  no  existen  proveedores  industriales  de  SDS  capaces  de  suplir  esta  cantidad.  Sin 
embargo,  en  países  como  China  es  posible  conseguir  este  surfactante  a  un  precio  promedio  de 
USD $ 5.200 por tonelada. Esto significaría una inversión anual total de USD $ 6’585.236,33. 

A  este  valor  debe  sumarse  el  costo  del  contraión  NaCl,  que  puede  conseguirse  en  el  mercado 
Chino por un total de USD $ 1.780 por tonelada. Esto equivale a una inversión total anual de USD $ 
2’254.177,05. 

Por último, debe sumarse el precio del solvente, para el cual se usa agua purificada. En Colombia 
este bien se vende por un precio alrededor de USD $ 1,17 por metro cúbico (COP $ 2.210) (máxima 
tarifa año 2013, (El Tiempo, 2013)). Dado que 181.116 galones equivalen a 685.597  

 

, el costo 

total del solvente sería USD $ 802.148. 

El  costo  anual  de  implementación  de  la  solución  de  surfactante  SDS  como  Agente  Reductor  de 
Arrastre sería de USD $ 9’641.561,38. Con el fin  de hacer posible la comparación entre el costo de 
aplicación  de  los  diferentes  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  se  calcula  el  costo  del  agente 
reductor por barril de crudo, en los Surfactantes este costo sería de USD $ 0.10. 

Si se agregaran a los costos operativos, los costos correspondientes a la compra e  instalación de 
bombas inyectoras y tanque de almacenamiento, se tendría que tener en cuenta USD $ 100.000 

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para  las  estaciones  de  bombeo  en  las  que  sea  necesario.  Sabiendo  que  los  Surfactantes  tienen 
capacidad  regenerativa,  solo  sería  necesario  tener  en  cuenta  estos  costos  en  las  estaciones  de 
Cusiana, por ser la estación inicial; El Porvenir y Vasconia, por ser estaciones donde concurren los 
oleoductos  secundarios.  Se  calcula  entonces  un  costo  de  inversión  en  infraestructura  de  USD  $ 
300.000. 

6.4.1.  Viabilidad económica de las Suspensiones de Fibras como Agentes 

Reductores de Arrastre 

Las Suspensiones de Fibras como Agentes Reductores de Arrastre jamás han sido probadas fuera 
del  ámbito  teórico,  por  lo  cual  no  se  tiene  registro  alguno  de  concentraciones  de  aplicación  en 
oleoductos.  Con  el  fin  de  establecer  una  comparación  aproximada  de  costos,  se  utilizará  una 
concentración  de  inyección  igual  a  la  estipulada  para  los  Surfactantes  en  el  numeral  anterior, 
equivalente a 45 ppm. 

A  lo  largo  del  proyecto,  las  fibras  de  Nylon  Liso  con  una  relación  de  aspecto  de  51  (r=51) 
suspendidas en un medio acuoso a una concentración de masa del 4 wt% (debe aclararse que esta 
concentración  hace  referencia  a  la  concentración  de  las  fibras  en  la  suspensión  y  no  de  la 
suspensión  en  el  crudo),    han  demostrado  tener  un  grado  de  reducción  de  arrastre  superior  al 
50%, siendo las más eficientes en los montajes experimentales citados (ver Tabla 5-3).  

Sabiendo  que  la  concentración  de  masa  es  el  porcentaje  del  peso  total  de  la  suspensión  que 

corresponde al peso de las fibras, y que la densidad del agua es  

  

 

, es posible establecer el peso 

total de fibras por litro bajo la siguiente relación:  

 

    

           

               

 

 
                       

Esto  permite  calcular  el  peso  de  las  fibras  por  galón  de  suspensión,  es  cual  es  igual  a  157.69 
gr/galón.  

Como se vio en el numeral anterior, para transportar un volumen diario de 266 Kb, inyectando la 
Suspensión de Fibras a una concentración de 45 ppm, se necesitaría un volumen diario de 503.1 
galones  de  dicha  suspensión,  es  decir  un  volumen  anual  de  181.116  galones.  Este  volumen  se 
traduce en la necesidad de implementar anualmente un total de 28.559,8 Kg de Fibras con el fin 
de mantener una concentración del 4 wt% por galón de suspensión. 

Con el objetivo de cotizar el costo de las fibras de nylon, se contactó a la empresa  fabricante de 
fibras  sintéticas  ENKA  de  Colombia  S.A,  ubicada  en  la  ciudad  de  Medellín  (principal  ciudad 

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fabricante de textiles en Colombia). Se encontró que la fibra de nylon conocida como Deciltex 44 
(44  gr  por  cada  10.000  m)  manufacturada  por  esta  compañía,  se  adaptaba  muy  bien  a  las 
necesidades  de  la  suspensión,  ya  que  el  radio  de  la  sección  transversal  del  filamento  era 
aproximadamente 0.035mm, lo que implica una longitud promedio de fibras de 1.78 mm con el fin 
de mantener r=51. Al comparar esta longitud con los experimentos recopilados por Kerekes en sus 
estudios, se comprobó que se encontraba dentro del rango de longitudes utilizadas (ver Tabla 5-3). 

El costo por kilogramo de fibra cotizado fue de USD $ 6.87, por lo tanto el costo total anual sería 
de USD $ 196.206. No obstante, este tipo de fibra se vende enrollada en tubos metálicos, lo cual es 
un inconveniente para su aplicación en las tuberías. Es por esto que deben ser cortadas antes de 
usarse como agentes reductores. Para el corte de este tipo de fibras se podría adquirir la máquina 
ROTATOR especificada en el numeral anterior; el costo de este dispositivo es de USD $ 35.640. 

Al igual que en los Surfactantes, debe tenerse en cuenta el costo del volumen del medio acuoso 
sobre el cual están suspendidas las fibras. Este medio es agua purificada, por lo cual el costo que 
deberá tenerse en cuenta es de USD $ 802.148. 

Tras este análisis es posible fijar un precio aproximado de USD $ 197.008 para la implementación 
anual  de  Suspensiones  de  Fibras  como  Agente  Reductor  de  Arrastre  en  el  oleoducto  central  de 
Colombia. El costo de aplicación de las Suspensiones de Fibras por barril de crudo sería de USD $ 
0.00205. 

Si  se  quisiese  analizar  el  costo  de  inversión  incluyendo  la  maquinaria  necesaria  para  la 
implementación,  deberían  incluirse  los  costos  de  la  maquina  ROTATOR,  la  bomba  de  inyección, 
tanque de almacenamiento y una bomba centrífuga o rotodinámica que evite la sedimentación de 
las  fibras  en  el tanque.  Esta  última    podría  adquirirse  por  un costo  de  USD $ 9.913  (precio  para 
bomba  centrifuga  K4L  de  50  HP,  producida  por  la  empresa  mexicana  NOVEM).  El  costo  en 
infraestructura sería  de USD $ 145.553, para cada estación de bombeo en donde sea necesaria. 
Este  tipo  de  infraestructura  sería  necesaria  en  la  estación  inicial  de  bombeo  Cusiana  y  las 
estaciones  de  El  Porvenir  y  Vasconia,  por  la  razón  explicada  en  el  numeral  anterior.  El  costo  de 
inversión total para el oleoducto de OCENSA seria de USD $ 436.659. 

6.4.2.  Viabilidad económica de los Polímeros como Agentes Reductores de 

Arrastre 

La empresa Phillips Specialty Products Inc, perteneciente a la compañía petrolera estadounidense 
Conoco  Phillips,  es  la  empresa  líder  a  nivel  mundial  en  la  producción  y  comercialización  de 
sustancias  Poliméricas  capaces  de  generar  reducción  de  arrastre.  Entre  sus  productos  se 
encuentran  sustancias  destinadas  a  la  reducción  de  arrastre  en  sistemas  que  impliquen  el 
transporte de agua no potable, crudos y productos refinados (Figura 6-1). Sin embargo, el fuerte 
de esta empresa es la producción de sustancias aplicables al transporte de crudos, entre las cuales 
se encuentran sus productos más populares, Liquid Power y Extreme Power. 

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Figura 6-1. Productos producidos por Phillips Specialty Products Inc. Adaptada de: (Bohórquez, 2012). 

Actualmente  la  compañía  Conoco  Phillips  abastece  al  Oleoducto  Central  de  Colombia  S.A 
(OCENSA)  con  el  producto  Extreme  Power  destinado  al  transporte  de  crudos  pesados.  El 
desempeño  reportado  por  OCENSA  para  la  aplicación  de  esta  sustancia  se  puede  apreciar  en  la 
Gráfica 6-1.  

 

Gráfica 6-1. Desempeño Extreme Power 1000. Adaptada de: (OCENSA, 2012). 

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En un escenario de máxima reducción  de arrastre, la concentración requerida para el transporte 
de crudo sería de 75 ppm, lo que equivaldría a 838 galones de Extreme Power 1000 (EP 1000) por 
día;  conociendo  el  volumen  total  transportado  diariamente  por  OCENSA.  El  volumen  de  esta 
sustancia necesitado anualmente por OCENSA corresponde a 301.680 galones. 

El  precio  de  un  galón  del  Agente  Reductor  de  Arrastre  EP  1000  se  toma  como  USD  $  30 
(Bohórquez, 2012). Este precio permite calcular un costo anual en sustancias poliméricas de USD $ 
9’050.400. Sin embargo, considerando que  los polímeros deben ser  inyectados en cada estación 
de  bombeo,  debido  a  su  degradación  durante  el  transporte  y  paso  a  través  de  las  bombas,  es 
necesario  multiplicar  el  costo  anual  por  la  cantidad  de  estaciones  de  bombeo.  Considerando  la 
aplicabilidad  de  los  polímeros  en  6  de  las  7  estaciones  de  bombeo  del  Oleoducto  Central  de 
Colombia (en Coveñas no son necesarios), se obtendría un valor  de USD $ 54’302.400 destinado 
únicamente  a  la  adquisición  de  este  tipo  de  sustancias.  El  costo  de  aplicación  de  las  sustancias 
poliméricas por barril de crudo seria de USD $ 0.567. 

Los  costos  en  infraestructura  para  este  tipo  de  agentes  implican  la  compra  e  instalación  de 
bombas inyectoras y tanque de almacenamiento, por lo cual se tendrían que tener en cuenta USD 
$ 100.000 para las estaciones de bombeo en las que sea necesario. Estos dispositivos deberán ser 
tenidos  en  cuenta  en  6  estaciones  por  el  efecto  de  la  degradación  polimérica,  por  lo  cual  se 
tendrían que invertir USD $ 600.000. Se debe resaltar que esta inversión no se realiza anualmente, 
ya que la vida útil de las bombas inyectoras oscila alrededor de 25 años. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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7.  Conclusiones y recomendaciones 

7.1. Conclusiones 

La revisión bibliográfica y el análisis llevado a cabo sobre el estado del arte en el uso de Agentes 
Reductores de Arrastre para facilitar el bombeo de crudos pesados, permite concluir: 

 

Los  constantes  avances  tecnológicos,  científicos  y  económicos  han  permitido  el 
mejoramiento en la calidad de vida y un incremento poblacional drástico. En consecuencia 
se ha incrementado la demanda energética mundial, lo que ha obligado a las empresas del 
sector a analizar fuentes posibles de explotación, como lo son los crudos pesados y extra 
pesados,  considerados  de  baja  rentabilidad,  para  dar  solución  al  agotamiento  de  los 
recursos convencionales y a una posible crisis energética en un futuro próximo. 

 

Alrededor  del  87%  de  las  reservas  totales  existentes  de  crudo  corresponden  a  crudos 
pesados y extra pesados. Sin embargo, la explotación de este tipo de crudos corresponde 
al 4.1% de la explotación mundial petrolera. Esto demuestra que esta práctica es una idea 
relativamente nueva que ha venido tomando fuerza en los últimos años, a consecuencia 
de  nuevas  metodologías  de  explotación  y  transporte,  como  lo  es  el  uso  de  Agentes 
Reductores de Arrastre. 

 

Colombia  es  un  país  donde  el  43,5%  de  los  crudos  explotados  corresponde  a  crudos 
pesados  y  extra  pesados.  Además,  el  77%  de  la  explotación  total  de  crudos  es 
transportada  hasta  el  puerto  de  Coveñas  para  su  exportación.  Esto  permite  afirmar  que 
existe la necesidad de implementar metodologías como el uso de Agentes Reductores de 
Arrastre  que  permitan  facilitar  el  transporte  a  través  de  los  principales  oleoductos  de 
Colombia. 

 

Los  métodos  tradicionales  usados  de  manera  previa  a  la  aparición  de  los  Agentes 
Reductores  de  Arrastre,  buscan  facilitar  el  bombeo  mediante  la  manipulación  de  la 
viscosidad  del  crudo  a  transportar.  Este  tipo  de  metodologías  han  tenido  grandes 
inconvenientes en cuanto a la viabilidad técnica, ya que implican procesos de reducción de 
viscosidad  capaces  de  generar  inestabilidad  en  el crudo  o  que  pueden  ser  alterados  por 
gran cantidad de variables difíciles de controlar, lo que hace poco eficiente la aplicación de 
estos métodos. 

 

Existen  cinco  métodos  tradicionales:  el  Precalentamiento  del  crudo,  que  mediante  un 
incremento  en  la temperatura  disminuye  la viscosidad;  Dilución,  disminuye  la viscosidad 
mediante  la  mezcla  de  crudos  más  livianos;  Refinamiento  previo,  busca  incrementar  la 
bombeabilidad mediante un proceso de refinación parcial IN SITU; Flujo anular, facilita el 
transporte mediante la implementación de una película de agua que rodea al crudo; y por 
último las Emulsiones, que buscan disminuir la viscosidad mediante la generación de gotas 
dispersivas de crudo en agua o viceversa.  

 

La turbulencia es un fenómeno disipativo de energía, originado a partir de la acción cíclica 
y  consecuente  de  estructuras  definidas,  denominadas  estructuras  turbulentas.  Las 

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principales  estructuras  son:  Vórtices,  Streaks,  Bursting  y  Sweeps.  Sin  embargo,  son  los 
vórtices los que permiten el inicio del fenómeno.  

 

 Los  Agentes  Reductores  de  Arrastre  surgen  como  una  alternativa  a  los  métodos 
tradicionales,  para  facilitar  el  bombeo  de  crudos  pesados.  Sus  orígenes  se  remontan  a 
1931, con los autores Forrest y Grierson. El mecanismo de todos los tipos de Agentes es 
diferente,  pero  el  fin  de  atenuar  las  estructuras  turbulentas  mediante  la  oposición  al 
estiramiento de los vórtices es común.  

 

Los Surfactantes son un tipo de Agente Reductor con capacidad regenerativa, que permite 
la disminución en las pérdidas por fricción a través de la formación de redes de micelas. 
Este tipo de  estructuras, semejantes a la composición de  un gel, evitan la elongación de 
los vórtices padres mediante su posicionamiento en la región cerca a la pared de la tubería 
y alineación en dirección del flujo. Estos eventos dan origen al fenómeno de Deslizamiento 
de Pared, el cual evita la elongación de la estructura turbulenta mencionada. 

 

Las Suspensiones de Fibras son un tipo de Agente Reductor que solo es capaz de atenuar 
el fenómeno turbulento en un estado homogéneo. El mecanismo de reducción de arrastre 
de  basa  en  la  formación  de  flóculos  que  permiten  la  oposición  total  o  parcial  a  los 
movimientos radiales de los vórtices padre, impidiendo su elongación y las fluctuaciones 
de velocidad que se generan a partir de estos. Aunque se ha comprobado la eficiencia de 
este  tipo  agente,  se  descarta  su  aplicación  en  la  industria  petrolera,  pues  solo  ha  sido 
probado en el ámbito teórico.    

 

Las cadenas de Polímeros son el Agente Reductor más utilizado en la industria petrolera. 
Su popularidad se debe a los altos porcentajes de reducción de arrastre obtenidos bajo su 
aplicación.  El  fenómeno  de  reducción  de  arrastre  se  debe  a  la  oposición  de  estas 
sustancias  al  flujo  elongado,  por  efecto  de  una  propiedad  denominada  viscosidad  de 
elongación y a la disminución en el ángulo de aproximación de los vórtices padre hacia la 
región turbulenta.  

 

El  efecto  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  además  de  atenuar  el  fenómeno 
turbulento, incide directamente sobre el perfil logarítmico de velocidades. En los tres tipos 
de  Agentes  investigados  se  obtuvo  la  laminarización  del  flujo  y  la  atenuación  de  las 
fluctuaciones de velocidad perpendiculares al flujo. 

 

Para la aplicabilidad de las sustancias estudiadas como Agentes Reductores de Arrastre, es 
necesario  evaluar  previamente  los  costos  operacionales  y  de  infraestructura  necesarios 
para la inyección, esto con el fin de garantizar la mayor efectividad al más bajo costo. El 
análisis  de  dichos  costos  llevado  a  cabo,  permitió  destacar  a  las  suspensiones  de  fibras 
como el agente con el menor costo de  implementación; mientras que  los polímeros por 
factores  como  la  degradación  y  el  oligopolio  de  los  fabricantes,  registran  los  mayores 
costos de inversión. 

 

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7.2. Recomendaciones 

Se  presentan  algunas  recomendaciones  con  el  fin  de  brindar  un  mayor  grado de  profundidad  al 
estudio de los Agentes Reductores de Arrastre realizado en el presente proyecto: 

 

La  Efectividad  de  los  Agentes  Reductores  de  Arrastre  se  ve  alterada  por  el  tipo  de  flujo 
donde sean inyectados. Se debe aclarar la forma como actúan este tipos de sustancias en 
flujos de tuberías totalmente llenas, flujos estratificados y “slug flows” o flujo de  Tapón, 
con el fin de identificar el mejor escenario para inyección. 

 

En  el  estudio  de  los  Surfactantes  como  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  se  analizó  la 
importancia de la concentración crítica de formación de micelas (CMC) y las variables que 
de  forma  directa  o  indirecta  afectaban  su  magnitud.  Se  recomienda  profundizar  en  la 
manera  como  la  CMC  se  ve  afectada  por  el  carácter  hidrofóbico  e  hidrofílico  de  las 
moléculas de Surfactante. 

 

Una  de  las  desventajas  de  los  Surfactantes  como  Agentes  Reductores  de  Arrastre,  es  el 
estrecho  rango  de  temperaturas  sobre  los  cuales  son  efectivos,  dada  su  característica 
sensible  a  cambios  en  la  energía  del  sistema.  Se  recomienda  analizar  el  efecto  de  la 
concentración  y  del  grupo  alquilo  de  las  moléculas  de  Surfactante,  en  las  temperaturas 
críticas de inicio ( 

 

) y fin ( 

 

) del fenómeno de reducción de arrastre (Gráfica 5-3)

 

En el Numeral 5.3 se estudió la importancia de la floculación de fibras para la generación 
de  atenuaciones  turbulentas.  Sin  embargo,  dicha  floculación  se  analizó  como  un 
fenómeno  originado  en  un  medio  acuoso.  Se  recomienda  investigar  sobre  las  posibles 
influencias  que  podrían  tener  fluidos  más  viscosos  como  los  crudos  pesados  sobre  el 
evento de floculación de fibras. 

 

Se sabe con certeza que la eficiencia de las fibras empleadas en una suspensión radica en 
la relación entre la longitud y el diámetro, y en propiedades individuales como la textura 
superficial  y  rigidez  de  la  fibra.  Se  recomienda  investigar  sobre  el  efecto  que  tienen  las 
propiedades individuales de las fibras en la eficiencia de las Suspensiones de Fibras como 
Agentes Reductores de Arrastre. 

 

Dado  que  se  pueden  emplear  fibras  naturales  o  sintéticas  para  la  formación  de 
suspensiones, en el marco de la industria petrolera colombiana, se recomienda analizar la 
viabilidad de la implementación de fibras naturales como la cascarilla de arroz y las fibras 
de algodón. Esto con el fin de disminuir costos en la aplicación de Suspensiones de Fibras 
en oleoductos como el de OCENSA, conociendo su cercanía a una región como la de  los 
llanos orientales, donde abundan este tipo de materiales agrícolas. 

 

Como se  estudió  en  la sección  de  desventajas  de  los  agentes  reductores  poliméricos,  se 
debe analizar la compatibilidad entre la solución de polímeros y el crudo a trasportar. Se 
recomienda investigar los criterios de compatibilidad manejados en la industria, con el fin 
de entender mejor la manera como se comportan este tipo de agentes reductores. 

 

El análisis llevado a cabo en el presente documento, se realizó partiendo del supuesto de 
que el tipo de fluido transportado no tiene incidencia alguna en la formación y evolución 

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de  las  estructuras  turbulentas.  Se  recomienda  investigar  el  fenómeno  turbulento  en  el 
flujo  de  crudos  pesados  a  través  de  tuberías  presurizadas,  con  el  fin  determinar  la 
existencia de  diferencias importantes respecto a la turbulencia del flujo de  agua en este 
tipo de tuberías. 
 

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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