2. Comportamiento de Fases

8/17/2019 2. Comportamiento de Fases

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN

Propiedades de los Fluidos del

YacimientoComportamiento de Fases


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Objetivo:

El objetivo de este capítulo es presentar los principios básicos delcomportamiento de fases de los hidrocarburos e ilustrar el uso de diagramasde fase, para describir y caracterizar el comportamiento volumétrico de una

sustancia pura (un solo componente), de una mezcla de dos sustancias (doscomponentes), de mezclas con tres sustancias (tres componentes) y mezclas detres o más sustancias (sistemas multicomponentes).

Comportamiento de Fases

Introducción


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Una fase es cualquier parte de un sistema que contiene una sustancia homogénea, quefísicamente es distinta y que esta separada por superficies fronterizas de otras partes del

sistema. Por ejemplo: agua-aceite, aceite-gas. Cada fase es homogénea, físicamente distinta y existe una

separación (frontera) entre ellas.

En un yacimiento petrolero se encuentran presentes la fase líquida (aceite crudo,condensado, agua) y la fase gas (disuelto en la fase líquida o libre). Los sistemas de

hidrocarburos encontrados en estos yacimientos presentan un comportamientomultifásico sobre amplios rangos de presiones y temperaturas. Por lo que es muyimportante conocer el comportamiento de las fases en función de la presión y latemperatura.

Las determinaciones experimentales y los cálculos matemáticos del comportamiento delas fases se expresan en diferentes tipos de diagramas llamados diagramas de fase. Los

diagramas de fase son gráficas , que presentan las condiciones bajo las cuales se puedenpresentar las diferentes fases de una sustancia.

Ejemplo típicos son: Diagramas de presión contra temperatura (PT), presión contravolumen específico (PV), densidad contra temperatura (rT), presión contra composición(Pxy), temperatura contra composición (Txy), etc.),

Introducción

Concepto de fase:


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Comportamiento de fases

Diagrama PT de un componente puro.

Línea de saturación solido-líquido

Línea de saturación líquido-vapor

Línea de saturación solido-vapor

Licuefacción


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Comportamiento de fases

Comportamiento pVT de un sistema


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Un sistema de un solo componente está formado totalmente de una sola clase deátomos o moléculas. El entendimientocuantitativo de las relaciones entre latemperatura, la presión y el volumen, (T,p, V , o simplemente pVT) de componentespuros proporcionan las bases para el

entendimiento del comportamiento defases de mezclas complejas dehidrocarburos.

La Figura 1, presenta el diagrama de fasepresión-temperatura para una sustanciapura (un componente puro). La línea TC sedenomina línea de presión de vapor , ysepara las condiciones de presión ytemperatura para cuando la sustancia esun líquido de las condiciones para cuandoes un gas (vapor).


Sistemas de un solo componente

Figura 1. Diagrama Presión - Temperatura (PT)


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El límite superior de la línea de presión de vapor es el puntocrítico indicado por el punto C indicado en la Fig. 1. Para unsistema formado por un solo componente, el punto críticorepresenta el estado límite (máximos valores de presión ytemperatura) para la coexistencia de dos fases (por ejemplo,líquido y gas).

Una definición más generalizada de punto crítico aplicable aun sistema con un componente o multicomponente es, lacondición de presión y temperatura para el cual las

propiedades intensivas de las fases líquida y gaseosa sonidénticas.

Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen dela cantidad de sustancia o del tamaño de un cuerpo, por loque el valor permanece inalterable al subdividir el sistemainicial en varios subsistemas, por este motivo no sonpropiedades aditivas. La presión, temperatura, densidad,composición y viscosidad son ejemplos de propiedadesintensivas.

A la temperatura y a la presión representadas por el puntocrítico C , se les denomina la presión crítica, pc , y latemperatura crítica, T c. Para una sustancia pura, la presióncrítica se define como la presión por arriba de la cual el líquido y el gas no pueden coexistir independientemente de latemperatura que se aplique, y la temperatura crítica se definecomo la temperatura por arriba de la cual el gas no puede ser licuado, independientemente de la presión que se le aplique.Estas definiciones de pc y Tc no son válidas para sistemas con

más de un componente.


Diagrama de fase

Figura 1. Diagrama Presión - Temperatura (PT)


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Empleo del diagrama de fase - Representación de procesos

Proceso de vaporización de una sustancia pura a condiciones isobáricas.


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• Punto de burbuja y punto de rocío. Sise considera la expansión atemperatura constante, ilustrada por lalínea 1-2 de la Figura 2, el punto en elcual aparece la primera molécula devapor, formando una pequeña burbujade gas se denomina presión de va por o presión de saturación. El punto en elcual se tiene solamente una gota deliquido es conocido como presión derocío. Los puntos en donde se unen laslíneas 1-pv , 2-pd y pd -3 representan el

punto de burbujeo y el punto de rocío.Para una sustancia pura la presión en el punto de burbujeo y en el punto derocío es igual a la presión de vapor de lasustancia a la temperatura de interés.


Diagrama de fase de presión-volumen para un componente puro

Figura 2. Diagrama Presión – Volumen específico (PV)


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Envolvente de saturación. La Figura 3 muestravarias isotermas en el diagrama presión-volumenespecífico. La curva cóncava hacía abajo muestra latrayectoria de todos los puntos de burbujeo y los puntos de rocío. La curva hacia la izquierda del punto crítico es la curva de burbuja y la curva haciala derecha es la curva de rocío.

La región encerrada por la curva de burbujeo y la

curva de rocío es la región de dos fases (envolventede saturación), en esta región el gas y el líquidocoexisten en equilibrio geométricamente. El puntocrítico se localiza en el lugar en que el punto deburbujeo y el punto de rocío coinciden. La isotermaa la temperatura crítica muestra una líneahorizontal seguida de un punto de inflexión amedida que pasa a través de la presión crítica(punto C ).

Obsérvese que conforme la temperatura seincrementa de T 1 a T 3, la longitud de la presión de laporción de la línea recta de la isoterma decrecehasta que la envolvente desaparece. Luego, laisoterma presenta una línea tangente horizontalcon un punto de inflexión en el punto crítico, T 4.Esta isoterma se denomina la temperatura críticadel sistema, T c, formado por un componente puro.Esta observación en el punto crítico se expresamatemáticamente por las relaciones siguientes:

Diagrama de fase de presión-volumen para un componente puro

Envolvente de saturación

Figura 3. Diagrama Presión – Volumen específico (PV)


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La Figura 4, muestra la relación entre lasdensidades del líquido y del gas en un diagramatípico de densidad-temperatura. La envolventemuestra las densidades de las fases liquida ygaseosa que coexisten en equilibrio en la región dedos fases (densidades saturadas).

Se observa que al incrementar la temperatura ladensidad del líquido saturado disminuye, mientras

que la densidad del vapor saturado incrementa. Enel punto crítico C , las densidades del vapor y dellíquido convergen, es decir, son iguales. En estapresión y temperatura crítica todas las propiedadesde las fases son idénticas.

Ley de los diámetros rectilíneos. La Figura 4,permite visualizar una observación muy útil que seconoce como la ley de los diámetros rectilíneos. Estaley establece que el promedio aritmético de lasdensidades de la fase vapor y líquido es una funciónlineal de la temperatura. La línea recta de ladensidad promedio contra la temperaturaproporciona una intersección fácilmente definidacon la línea curveada de densidades. Estaintersección proporciona la temperatura crítica y ladensidad crítica.

Matemáticamente la ley de los diámetros

rectilíneos se expresa como sigue:


Diagrama de fase de densidad-temperatura para un componente puro.

Figura 4. Diagrama Densidad –Temperatura(rT)


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en donde ρv es la densidad de vapor saturado en lbm /ft 3,

ρL es la densidad del liquido saturado en lbm /ft 3, T es la

temperatura en °R, a y b son la intercepción y lapendiente de la línea recta.

En el punto crítico, la ecuación anterior se expresa enfunción de la densidad crítica como:

en donde ρc es la densidad crítica de la sustancia pura enlbm/ft 3.

• Rackett en 1970, estableció una ecuación generalizadapara predecir la densidad del líquido saturado, ρL , decomponentes puros

• en donde ρL es la densidad del liquido saturado delcomponente puro en lbm /ft

3; M es el peso molecular delcomponente puro en lbm /lbm-mol , pc es la presión críticadel componente puro en lb/pg2abs, T c es la temperaturacrítica del componente puro en °R, zc es el factor decompresibilidad del gas crítico, R es la constanteuniversal de los gases e igual a 10.732 (lb/pg2abs- ft 3 )/(lbm-mol-°R) y T r es la temperatura reducida

Diagrama de fase de densidad-temperatura para un componente puro.

Ley de los diámetros rectilíneos

Spencer y Danner en 1973, modificaron la correlación deRackett reemplazando el factor de compresibilidadcrítico con el parámetro , el cual es una constanteúnica para cada componente.

Yamada y Gunn en 1973, recomiendan la correlaciónsiguiente para estimar :


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Compuesto FórmulaPeso

molecularTemperatura

críticaPresióncrítica

Volumencrítico

Temperaturade ebullición

Factoracéntrico

Densidad a60°FGas

Densidad a60°F

Líquido

lb/lbmol °R psia ft3/lb °R Adim lb/ft3 lb/ft3

Metano CH4 16.043 343.37 667.8 0.0991 201.27 0.0104 0.0423 18.7013

Etano C2H6 30.070 550.09 707.8 0.0788 332.60 0.0086 0.0792 22.1573

Propano C3H8 44.097 666.01 616.3 0.0737 416.25 0.1524 0.1162 31.5902nButano C4H10 58.124 765.66 550.7 0.0702 491.08 0.2010 0.1532 36.3927

iButano C4H10 58.124 734.93 529.1 0.0724 470.78 0.1848 0.1532 35.0537

nPentano C5H12 72.151 845.70 488.6 0.0676 556.92 0.2539 0.1901 39.2802

iPentano C5H12 72.151 829.10 490.4 0.0679 542.12 0.2223 0.1901 38.8912

nHexano C6H14 86.178 913.70 436.0 0.0688 615.72 0.3007 0.2270 41.3374

nHeptano C7H16 100.205 972.80 396.8 0.0691 669.15 0.3498 0.2641 42.8484

nOctano C8H18 114.232 1024.22 360.6 0.0690 718.21 0.4018 0.3010 44.0079nNonano C9H20 128.259 1070.68 332.0 0.6840 763.47 0.4455 0.3380 44.9430

nDecano C10H22 142.286 1112.10 304.0 0.0679 805.48 0.4885 0.3749 45.7209

Dióxido de carbono CO2 44.010 547.90 1071.0 0.0342 350.74 0.2250 0.1160 51.4660

Nitrógeno N2 28.013 227.60 493.0 0.0614 139.55 0.0400 0.0898 49.2218

Ácido sulfhídrico H2S 34.076 672.70 1300.0 0.0459 383.50 0.0950 0.0738 50.3439


Propiedades de los componentes del gas natural

Tabla 1. Propiedades de los componentes del gas natural.


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Ejemplo.

Calcular la densidad del líquido saturado delpropano a 160°F empleando: a) la correlaciónde Rackett y b) la ecuación de Rackettmodificada.

Se obtienen los valores de T c, pc V c y M de laTabla 1.

Se calcula zc a partir de la ecuación de estadopara los gases reales en función del factor decompresibilidad z a condiciones críticas, esdecir:

Se calcula la T r , y posteriormente la densidad dellíquido.

Correlación de Rackett.

Ecuación modificada de Rackett. Calcular zRA


Ejemplo – Cálculo de la densidad del propano líquido


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La Figuras 1, 2 y 3 se presentaron los diagramas de fasepresión-temperatura para un sistema con una sustancia pura.La línea TC representa la división entre las áreas en donde ellíquido y vapor existen. A la curva TC se le denomina curva de

presión de vapor o curva de punto de ebullición. A la presiónen cualquier punto sobre la curva se le denomina presión devapor .

Estas figuras muestran que a las condiciones de presión y temperatura especificadas por la presión de vapor, dos fases

pueden coexistir en equilibrio. Los sistemas representados por puntos localizados por debajo de la curva de presión de vapor son compuestos que se encuentran solamente en la fasevapor o gas. De manera similar, los puntos localizados por arriba de la curva representan compuestos que se encuentransólo en la fase líquida.

Si la presión ejercida sobre el componente puro es menorque la presión de vapor ( < ), el sistema esta totalmenteen la fase de vapor. Si la presión ejercida sobre el

componente puro es mayor que la presión de vapor ( > ),el sistema esta totalmente en la fase líquida y si la presiónejercida sobre el componente puro del sistema es igual a lapresión de vapor ( = ) el sistema esta en equilibriotermodinámico (el vapor y el líquido coexisten en equilibrio).Estas condiciones son válidas si la temperatura del sistema seencuentra solo por debajo de la temperatura crítica delcomponente puro.


Presión de vapor de un componente puro


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Para aplicaciones en programación, Lee y Kesler en1975, propusieron la siguiente ecuacióngeneralizada para el cálculo de la presión de vapor:

= exp( + )

= 5.92714 −6.09648

+ 1.2886ln + 0.16934

= 15.2518 −15.6875

− 13.472ln + 0.4357

=

en donde es la temperatura reducida en °R, esla temperatura absoluta en °R, es la temperaturacrítica de la sustancia en °R, es la presión críticade la sustancia en lb/pg2abs y es el factoracéntrico de la sustancia.

El factor acéntrico, , fue propuesto por Pitzeren 1955, como un parámetro de correlaciónpara caracterizar la excentricidad (no-esfericidad) de una molécula, y se define por laexpresión siguiente:

= − log

− 1

en donde pv es la presión de vapor de lasustancia en lb/pg2abs a una T r =0.7 y pc , es lapresión crítica de la sustancia en lb/pg2abs.

Presión de vapor de un componente puro

Ecuación de Lee y Kesler para el cálculo de la presión de vapor


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Ejemplo

Calcular la presión de vapor del propano a 80 °Fempleando la correlación de Lee y Kesler.

Las propiedades críticas y el factor acéntrico se obtienende tablas:

T c

= 666.01 °R,

pc = 616.3 lb/pg2abs y

ω=0.1522

Cálculo de la temperatura reducida a partir de ladefinición:

Cálculo de los parámetros A y B aplicando las ecuaciones

respectivas respectivamente

Cálculo de la pv aplicando la ecuación de Lee & Kesler.

= exp( + )

Cálculo de la presión de vapor empleando la correlación de Lee y Kesler.


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La descripción de fases de un sistema binario proporciona información adicional respecto al que se obtienede un sistema con un solo componente puro. Dentro de estas variables están la composición de la mezcla,

la composición de la fase líquida en equilibrio y la composición de la fase gaseosa (vapor) en equilibrio. Porlo tanto, se pueden realizar gráficas de presión, volumen y/o temperatura respecto a la composición(concentración) de los componentes puros.


Sistemas binarios

Diagramas de presión-composición para una mezclade dos componentes.

La Figura 5 muestra un diagrama de presión-composición de una mezcla de dos componentescuando el sistema se encuentra a unatemperatura T 1 constante.

El punto 1 representa una mezcla de doscomponentes en equilibrio en dos fases, el punto2 representa la composición del líquido enequilibrio y el punto 3 muestra la composicióndel gas en equilibrio.

Para una mezcla de dos componentes, las líneasde unión siempre son horizontales, estas líneasunen la composición del líquido con lacomposición del gas en equilibrio.


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La línea de unión se puede emplear para calcular lascantidades de gas (vapor) y líquido presente en el punto1. Lalongitud de la línea 12 dividida por la longitud de la línea deunión 23, representa la relación de moles de gas a los molestotales de la mezcla. De igual manera la longitud de la línea13 dividida por la longitud de la línea 23 representa larelación de los moles de líquido a los moles totales de lamezcla.

Ejemplo :Calcular las composiciones y cantidades de gas y líquido formado

cuando 3 lbm-mol de una mezcla conformada de 70% mol delcomponente A (metano) y 30% mol del componente B (etano) selleva a un estado de equilibrio a – 100°F y 400 lb/pg2abs. Emplearel diagrama de fases de presión-composición que se presenta .

Solución:

1. Se localiza el punto 1 que corresponde 70% y 400lb/pg2abs, dentro de la envolvente de saturación de – 100 °F

2. Se dibuja la línea de unión 123 y se lee lacomposición del líquido en equilibrio sobre la líneade puntos de burbujeo ( punto 2 ) y la composición degas sobre la línea de puntos de rocío ( punto 3 ).

3. Se calculan las cantidades de gas y líquido a partir dela longitud de la línea de unión. Las fracciones de gasy líquido son: =

, =

4. Las cantidades de gas y líquido en las 3 lbm-mol se

calculan como: 3, 3

Sistemas binarios

Diagramas de presión-composición para una mezcla de dos componentes.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

P r e s i ó n ( b a r )

Composición (% mol de Metano)

Diagrama Presión-ComposiciónSistema Binario (Metano-Etano)

12 3


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• La Figura 6, muestra una serie de diagramastemperatura-composición para mezclas de doscomponentes. Se muestran cuatro envolventes desaturación que corresponden a cuatro presiones delsistema.

• La línea inferior de cualquier envolvente desaturación representa la línea de puntos de burbu jay la línea superior de cualquier envolvente desaturación representa la línea de puntos de rocío.

• Cuando la presión es menor que la presión críticade ambos componentes, las curvas de punto deburbuja y de punto de rocío convergen a laspresiones de vapor de los componentes puros encualquier lado del diagrama. Por ejemplo, lospuntos críticos que convergen en la ordenadaderecha e izquierda.

• Cuando la presión excede la presión crítica de unode los componentes, la curva de puntos de burbujay de puntos de rocío convergen en un punto crítico.Por ejemplo, una mezcla de 86% mol decomponente A y 14% mol del componente B tieneuna Tc de -49 °C a una pc de 900 lb/pg2abs (punto C ).

Sistemas binarios

Diagramas de temperatura-composición para una mezcla de dos componentes

C

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

T e m p e r a t u r a ( ° C )

Composición del Metano

Diagrama Temperatura-ComposiciónSistema Binario ( Metano-Etano)

P = 900 psi P = 500 psi P = 300 psi P = 100 psi


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En los diagramas de presión –composición ytemperatura –composición presentados, las líneasde unión son horizontales y proporcionan lascomposiciones del líquido y gas en equilibrio.

Asimismo, la curva de puntos de burbujaproporciona la composición del líquido en equilibrioy la curva de puntos de rocío indica la composición

del gas en equilibrio. Las longitudes de las líneas deunión representan las cantidad de gas y líquido enequilibrio.

Ejemplo.

Determinar las composiciones y cantidades degas y líquido que se forman con 10 lbm-mol deuna mezcla binaria de gases de 40% mol del

componente A (metano) y 60% mol delcomponente B (etano) a condiciones deequilibrio de 100 lb/pg2abs y – 60°C a partir deldiagrama de fases de temperatura-composición.


Ejemplo - Composición de una mezcla con dos componentes

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1




P = 100 psi

2 1 3


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Diagramas de fase de un sistema de tres componentes

La Figura 7, representa un ejemplo de un diagrama defase de tres componentes a una presión de 500lb/pg2abs y temperatura de 160 °R. El metano es elcomponente puro de menor peso molecular (más ligero)y se coloca en el vértice superior del triángulo.

• La línea de puntos de rocío se localiza a lo largo de laenvolvente de saturación superior. La línea de puntos deburbuja se localiza a lo largo de la envolvente desaturación inferior. El diagrama representa la mezcla detres componentes puros con valores fijos de presión ytemperatura.

• Las líneas de unión en equilibrio son líneas rectas nohorizontales. Recuérdese que estas líneas de unión enequilibrio son horizontales en los diagramas de presión-composición y temperatura-composición. Para el caso

de mezclas de tres componentes puros, estas líneas deunión se determinan experimentalmente y seproporcionan sobre los diagramas de fase.

• La cantidad de gas, en fracción mol respecto a los molestotales de la mezcla, se determina con la magnitud de lalínea 13 dividida por la magnitud de la línea 23 . De igualmanera, la cantidad de líquido, en fracción mol respectoa los moles totales de la mezcla, se calcula con la

magnitud de la línea 12 dividida por la magnitud de lalínea 23 .


Sistemas ternarios

Figura 7. Diagrama de fase ternario de mezcla de metano, propano y n-pentano


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La Figura 8, muestra la representación de un diagramaternario en forma de un triángulo equilátero, en dondecada vértice del triángulo representa 100% mol de uncomponente puro. Por conveniencia se traza elcomponente más ligero en la cima del triángulo y elcomponente de mayor peso molecular en el vérticeinferior izquierdo. Cada lado del triángulo representauna mezcla de dos componentes. El lado izquierdo deltriángulo representa todas las posibles combinaciones

de mezclas de los componentes ligeros y pesados. Unamezcla localizada en el interior del triángulo (porejemplo, los puntos dentro del triángulo) representamezclas de tres componentes.

• El punto 1 de la Figura 8 representa 100% mol delcomponente puro B. El punto 2 representa una mezclade dos componentes de 30% mol del componente A y70% mol del componente C . El punto 3 representa unamezcla de tres componentes la cual consiste de 50% mol del componente A, 30% mol del componente B y 20%mol del componente C . La composición de la mezclarepresentada por el punto 3 se puede determinar deuna mejor manera, imaginando tres líneasperpendiculares que parten desde el punto 3 hacia loslados del diagrama triangular. La longitud de la línea 34muestra la composición del componente A en la mezcla.La longitud de la línea 35 representa la composición delcomponente B, y la longitud de la línea 36 muestra la

composición del componente C .


Diagramas de composición para una mezcla de tres componentes

Figura 8. Diagrama ternario de composición para una mezcla de tres componentes.


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El comportamiento de fase de sistemasmulticomponentes de hidrocarburos en laregión líquido-vapor es muy semejante alcomportamiento de fase de sistemas dedos componentes puros. Sin embargo, losrangos de presión y temperatura en loscuales las dos fases existen seincrementan significativamente; si elsistema llega a ser más complejo con ungran número de componentes puros.

Es decir, conforme el número ycomplejidad de las moléculas en unamezcla de hidrocarburos se incrementa,la separación entre las líneas de puntosde burbuja y puntos de rocío sobre el

diagrama de fase es mucho mayor,existiendo una amplia variedad depresiones críticas y temperaturas críticasasí como diferentes localizaciones de los

puntos críticos sobre las envolventes desaturación.


Sistemas multicomponentes


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0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00

P r e s i ó n ( k g / c m 2 )

Temperatura (°C)

Diagrama de fases de un sistema multicomponente

V/L = 0.50 V/L = 0.70 V/L = 0.90 V/L = 1.0

Punto crítico Cricondenterma Cricondenbar Punto de burbuja

Líquido

Líquido - Vapor

Cricondenterma

Cricondenbar Punto crítico

Presión de saturación


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Diagrama de fases Presión - Temperatura

Cricondenbar

C r i c o n d e n t

e r m a

Fase Líquida

Fase Vapor


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El diagrama de fase presión-temperatura para sistemasmulticomponentes se emplea esencialmente paraclasificar los yacimientos petroleros en función del tipode fluidos que contiene, clasificar los sistemas dehidrocarburos que ocurren en forma natural y paradescribir el comportamiento de fase de los fluidos delyacimiento.

La comprensión adecuada del significado de losdiagramas de fase de presión-temperatura es muy útilpara identificar y definir los puntos clave sobre dichosdiagramas, En la Figura 9 se pueden observar loselementos siguientes:

Curva de puntos de burbuja - La curva de puntos

de burbuja se define como la línea que separa laregión de fase líquida de la región de dos fases(vapor-líquido).

Curva de puntos de rocío - La curva de puntos derocío se define como la línea que separa la regiónde fase de vapor de la región de dos fases (vapor-líquido).


Curva de puntos de burbuja


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• Punto crítico - El punto crítico de una mezclamulticomponente se refiere como el estado adeterminada presión y temperatura en la cualtodas las propiedades intensivas de las faseslíquido y vapor son idénticas. En el punto crítico,la correspondiente presión y temperatura sedenominan presión crítica, pc , y temperatura

crítica, T c , de la mezcla.

• Cricondenterma, T ct - La cricondenterma sedefine como la temperatura máxima por arribade la cual la fase líquida no se puede formarindependientemente de la presión que se tenga.La presión en el punto se denomina presióncricondenterma, pct .

• Cricondenbara, pcb - La cricondenbara es lapresión máxima por arriba de la cual la fase devapor (gas) no se puede formarindependientemente de la temperatura que setenga. La temperatura en el punto se denominatemperatura cricondenbara, T cb.


Punto crítico

Líneas de calidad - Las líneas interrumpidas dentro de laregión de dos fases del diagrama de fase de presión-temperatura se denominan líneas de calidad . Estas líneasproporcionan las condiciones de presión y temperaturapara volúmenes equivalentes de líquidos. Observe quetodas las líneas de calidad convergen en el punto crítico.


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Ejemplo

Calcular la presión de vapor del propano a 80 °Fempleando la correlación de Lee y Kesler.

Las propiedades críticas y el factor acéntrico se obtienende tablas:

T c = 666.01 °R,

pc = 616.3 lb/pg2abs y

ω=0.1522

Cálculo de la temperatura reducida a partir de ladefinición:

Cálculo de los parámetros A y B aplicando las ecuacionesrespectivas respectivamente

Cálculo de la pv aplicando la ecuación 3.20.

Cálculo de la presión de vapor empleando la correlación de Lee y Kesler.


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Ejemplo.

Calcular la densidad del líquido saturado delpropano a 160°F empleando: a) la correlaciónde Rackett y b) la ecuación de Rackettmodificada.

Se obtienen los valores de T c

, pc V

c

y M de laTabla 1.

Se calcula zc a partir de la ecuación de estadopara los gases reales en función del factor decompresibilidad z a condiciones críticas, esdecir:

Se calcula la T r , y posteriormente la densidad dellíquido.

Correlación de Rackett.

Ecuación modificada de Rackett. Calcular zRA


Ejemplo – Cálculo de la densidad del propano líquido


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La línea de unión se puede emplear para calcular lascantidades de gas (vapor) y líquido presente en el punto1. Lalongitud de la línea 12 dividida por la longitud de la línea deunión 23, representa la relación de moles de gas a los molestotales de la mezcla. De igual manera la longitud de la línea13 dividida por la longitud de la línea 23 representa larelación de los moles de líquido a los moles totales de lamezcla.

Ejemplo :Calcular las composiciones y cantidades de gas y líquido formado

cuando 3 lbm-mol de una mezcla conformada de 70% mol delcomponente A (metano) y 30% mol del componente B (etano) selleva a un estado de equilibrio a – 100°F y 400 lb/pg2abs. Emplearel diagrama de fases de presión-composición que se presenta .

Solución:

1. Se localiza el punto 1 que corresponde 70% y 400lb/pg2abs, dentro de la envolvente de saturación de – 100 °F

2. Se dibuja la línea de unión 123 y se lee lacomposición del líquido en equilibrio sobre la líneade puntos de burbujeo ( punto 2 ) y la composición degas sobre la línea de puntos de rocío ( punto 3 ).

3. Se calculan las cantidades de gas y líquido a partir dela longitud de la línea de unión. Las fracciones de gasy líquido son: =

, =

4. Las cantidades de gas y líquido en las 3 lbm-mol se

calculan como: 3, 3

Sistemas binarios

Diagramas de presión-composición para una mezcla de dos componentes.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

P r e s i ó n ( b a r )

Composición (% mol de Metano)

Diagrama Presión-ComposiciónSistema Binario (Metano-Etano)

12 3


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En los diagramas de presión –composición ytemperatura –composición presentados, las líneasde unión son horizontales y proporcionan lascomposiciones del líquido y gas en equilibrio.

Asimismo, la curva de puntos de burbujaproporciona la composición del líquido en equilibrioy la curva de puntos de rocío indica la composición

del gas en equilibrio. Las longitudes de las líneas deunión representan las cantidad de gas y líquido enequilibrio.

Ejemplo.

Determinar las composiciones y cantidades degas y líquido que se forman con 10 lbm-mol deuna mezcla binaria de gases de 40% mol del

componente A (metano) y 60% mol delcomponente B (etano) a condiciones deequilibrio de 100 lb/pg2abs y – 60°C a partir deldiagrama de fases de temperatura-composición.


Ejemplo - Composición de una mezcla con dos componentes

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1




P = 100 psi

2 1 3


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Resumen de ciclos termodinámicos en un diagrama T-s


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Los yacimientos se describen generalmente, en términos del tipo de fluido.En esta clasificación de fluidos del yacimiento se incluyen:

Yacimientos de aceite negro;

Yacimientos de aceite volátil ;

Yacimientos con fluido cercano al punto crítico, que puede ser un aceite

altamente volátil o un gas muy rico en condensado ; Yacimientos de gas-condensado

Yacimientos de gas húmedo; y

Yacimientos de gas seco.

En la Figura 1 se muestra el comportamiento de fase típico de las seisclases de fluido de yacimiento identificados. El comportamiento del fluido(envolvente de fase) se muestra en función de la temperatura (T) y de lapresión (P).


Clasificación de yacimientos de acuerdo al tipo de fluido


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Figura 1. Comportamiento Típico Presión vs. Temperatura.


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La figura 1a representa un gas seco. Seobserva que, a la temperatura deyacimiento, nunca se cruza la región de

dos fases en ninguna presión.

El gas seco mantendrá su condición tantoen el yacimiento como en la superficie.


Yacimientos de gas seco


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La figura 1b presenta el comportamientode un gas húmedo.

El fluido no atraviesa la región de dosfases a ninguna presión, a temperatura

de yacimiento; por lo que se consideraque es un gas "seco" en el yacimiento.

El gas húmedo produce condensado en

los separadores.


Yacimientos de gas húmedo


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La figura 1c muestra el comportamientode fase de un gas y condensado (a vecesllamado condensado retrógrado del gas).

En presiones por debajo de la presión del

punto de rocío, el fluido condensará enel yacimiento.

El fluido nunca abandona la región de

dos fases por lo que se espera que

condense a las condiciones de

separación.


Yacimientos de gas-condensado


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La figura 1d ilustra un fluido crítico, sucaracterística principal es que la temperatura delyacimiento es idéntica a la temperatura crítica delfluido

Grandes cantidades de gas y de líquido se forman

instantáneamente en el yacimiento con las caídasde presión, por debajo de la presión crítica.Incluso si la temperatura del yacimiento no esexactamente igual a la temperatura crítica ( fluido"cercano al crítico").

Si la temperatura del yacimiento está justo por

encima de la temperatura crítica, el fluidocercano al punto crítico se comportará como

condensado muy rico. Si la temperatura está justo por deba jo de la temperatura crítica, el fluido se

comportará como un aceite muy volátil .


Yacimiento con fluido crítico


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La figura 1e representa elcomportamiento de un aceite volátil .

Los aceites volátiles se definen por el

hecho de obtener grandes saturaciones

de gas a presiones ligeramente inferioresa la presión de burbuja (es decir, el gassale rápidamente del aceite y la faseaceite se contrae rápidamente mientrasla presión se reduce por debajo delpunto de burbuja).


Yacimientos de aceite volátil


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La figura 1f muestra el comportamientode un aceite negro.

En contraste con los aceites volátiles, el

desprendimiento del gas no es tan rápido

cuando se tienen presiones inferiores al punto de la burbu ja, las saturaciones de

gas en el yacimiento se presentan

gradualmente, y el aceite tiene un menor

encogimiento.


Yacimientos de aceite negro


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Características de los yacimientos de petróleo

Yacimientos de aceite


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Características de los yacimientos de petróleo

Yacimientos de gas

2. Comportamiento de Fases

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