CAP_4_CLASE_2012_UNAM_22_02_2012_1
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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
CAPITULO 4
COMPORTAMIENTO DE FASES
Ciudad Universitaria., a 8 de febrero de 2012.
Sustancias Puras.
Con los diagramas de fase podemos explicar como los cambios de presión y
temperatura afectan el comportamiento de los hidrocarburos.
Existen 3 factores importantes en el comportamiento molecular de un
componente puro o de mezclas de hidrocarburos.
a).-Presión.- Es un reflejo del numero de moléculas de un gas que están
golpeando las paredes de un recipiente, a medida que las moléculas están más
cercanas la presión se incrementa.
b).-Temperatura.- Es un reflejo de la energía cinética de las moléculas. La
temperatura es un promedio de la energía cinética de las moléculas del
material.
El incremento en la temperatura ocasiona un incremento en la energía cinética,
ocasionando que las moléculas incrementen su movimiento y tiendan a
separarse.
Diagramas de Fase
c).- Fuerzas de atracción y repulsión molecular. Estas fuerzas cambian con
las distancias entre moléculas: las fuerzas atractivas aumentan conforme la
distancia entre las moléculas decrece hasta que llega un momento en que
están tan juntas que se generan fuerzas de repulsión como en el caso del
líquido en el cual las moléculas están tan juntas que las fuerzas de
repulsión tienden a aumentar la resistencia del material a la compresión.
Definición de Fase.
Se define como cualquier parte de un sistema homogéneo y físicamente
distinto de otra parte del mismo sistema y que están separadas por
fronteras definidas, por ejemplo el agua, el hielo y el vapor de agua.
Los sistemas de un solo componente se comportan de manera muy
diferente de los sistemas con varios componentes, por lo cual es necesario
primeramente estudiar su comportamiento presión, volumen , y
temperatura.
Diagramas de Fase
Temperatura (°F)
100
0
200
300
400
500
600
700
-100 -50 0 50 100
PUNTO CRITICO
LIQUIDO
VAPOR Pre
sió
n ,
(lb
/pg
2)
T
C
SO
LID
O
LIN
EA
DE
PU
NT
OS
D
E F
US
ION
1
2
3
4
DIAGRAMA PRESIÓN TEMPERATURA PARA EL ETANO (C2H6)
VAPOR- LIQUIDO
GAS
PUNTO CRITICO
LIQUIDO
T1
T2
0 VOLUMEN
PR
ES
IÓN
PRESION DE BURBUJA PRESION DE ROCIO
DIAGRAMA PRESIÓN-VOLUMEN PARA UN SOLO COMPONENTE
El comportamiento de fase para dos componentes no es tan simple como el comportamiento de fase de un solo componente en lugar de una sola línea que representa la presión de vapor existe un amplio rango de presiones en las cuales dos fases coexisten. La región de 2 fases es rodeada por un lado por la línea de puntos de burbuja y por otro lado por la línea de puntos de rocío y estas 2 líneas se unen en el punto crítico. Presión de burbuja.- se define como la presión a la cual se forma la primera burbuja de gas. Presión de rocío.- se define como la presión a la cual se forma la primera gota de líquido.
DIAGRAMAS DE FASE SUSTANCIAS PURAS
-100 400 300 200 100 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
PUNTO CRITICO
CURVA PUNTO
DE BURBUJA
CURVA PUNTO
DE ROCIO
VAPOR
LIQUIDO
ZONA
2 FASES
PR
ES
IÓN
, P
SI
TEMPERATURA, °F
DIAGRAMAS DE FASE ETANO - HEPTANO
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
PR
ES
ION
, (P
SI)
-100 0 100 200 300 400 500 600
0
100
TEMPERATURA (°F)
MODIFICACIÓN DEL DIAGRAMA DE FASE CON LA VARIACIÓN DE PORCENTAJE EN LA MEZCLA (C2 - C7)
Los componentes del petróleo como se mencionó en el capitulo 3, tiene un amplio número de componentes por lo cual el diagrama de fase depende de la composición de la mezcla así como de las propiedades de los componentes de la mezcla. Los más importantes conceptos físicos relacionados con un diagrama de fase para una mezcla de hidrocarburos son: a).-Punto crítico.- Es la presión a la cual las propiedades intensivas de cada fase son las mismas. b).-Temperatura crítica.- La temperatura del punto crítico. c).-Presión crítica.- La presión del punto crítico. d).-Propiedades intensivas.- Las propiedades que son independientes de la cantidad de material considerado.
DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES
d).-Propiedades Extensivas.- Las propiedades directamente proporcionales a la cantidad de material considerado. e).-Curva de puntos de burbuja.- La línea de puntos que une las presiones a las cuales aparece la primera burbuja de gas. f).-Curva de puntos de rocío.- La línea de puntos que une las presiones a las cuales aparece la primera burbuja de líquido.
g).- Región de dos fases.- La región en la cual coexisten gas y líquido en equilibrio. h).-Cricondenterma.- La máxima temperatura a la cual coexisten vapor y líquido en equilibrio. i).-Cricondenbara- La máxima presión a la cual coexisten vapor y líquido en equilibrio.
DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES
j).- Zona de condensación retrógrada.- La región en la
cual el líquido se condensa bajando la presión a
temperatura constante.
k).-Zona de vaporización retrógrada.- La región en la
cual se forma vapor decreciendo la temperatura a
presión constante.
DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES
DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES
Pb PRESIÓN DE
BURBUJA
DE LA
TEMPERATURA X1
Pc PUNTO CRITICO
CT CRICONDENTERMA
Cp CRICONDEMBARA
Cr ZONA DE
CONDENSACION
RETROGRADA
Ce VAPOROZACION
RETROGRADA
LIQUIDO
REGIÓN DE FASE LIQUIDA REGIÓN FASE DE VAPOR
Pb CT
GAS
TEMPERATURA
% LIQUIDO
100
75
50
25 20 15 10 5 0
PC
REGIÓN DE DOS FASES
X1
El comportamiento de fases de una mezcla de 3 componentes puede ser representado por un diagrama ternario, para mezclas multi-componentes es necesario utilizar pseudo-componentes. En la figura siguiente se observa que la esquina superior del triángulo representa 100 % de metano mientras que el lado opuesto representa 0 % de metano. de la misma la esquina derecha inferior representa 100 % butano y la esquina inferior izquierda representa 100 % decano. Si tres componentes se mezclaran en las proporciones del punto S a 2500 lb/pg2 y 160 of y se dejara en equilibrio se tendrían 2 fases un líquido en equilibrio con composición X y un gas equilibrio con composición Y. Cualquier mezcla de componentes que caigan dentro de la envolvente de fase tendrá 2 fases líquida y gaseosa. La zona de líquido está ubicada debajo de la línea de punto de burbuja y la zona de gas esta ubicada encima de la línea de puntos de rocío.
DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS
LINEA PUNTO BURBUJA
(LIQUIDO SATURADO)
PUNTO CRITICO
LINEA DE PUNTO DE ROCIO
(VAPOR SATURADO)
100% C1
100%
C10
100%
n- C4
Y
X
REGION DE DOS FASES
S
RELACION DE FASE C1/nC4 /C10 a 71 oC y 175 kg/cm2 (160 oF y 2500 lb/pg2, STALKUP).
C1=68 %
nC4=21 %
C10=11 %
Zona
Miscible
P=3,250 PSIA
G2-78.5% C1,21.5 % C4
G1-100%C1 100% C1
100%
C10
100%
n- C4
P=2,500 PSIA
L1
GAS BUTANO INYECTADO REQUERIDO PARA MISCIBILIDAD CON FLUIDO DEL YACIMIENTO, PRESION DE OPERACIÓN ARRIBA CRICONDENBARA T=71 oC (160°F)
El incremento en la presión incrementa el
tamaño de la región de 2 fases, el punto
crítico desaparece con la reducción de la
presión y a medida que el diagrama de 2
fases intercepta el lado derecho del
diagrama indica que a esa presión limite, el
metano y el butano no formaran mezclas de
una fase para todas las composiciones
posibles.
El incremento en la temperatura
incrementará el tamaño de la región de dos
fases.
DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS
DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS
Los yacimientos se clasifican de acuerdo a
su diagrama de fase en los siguientes tipos:
a).- Yacimientos de bajo encogimiento
(aceite negro)
b).- Yacimientos de alto encogimiento
(aceite volátil)
c).- Yacimientos de gas y condensado.
d).- Yacimientos de gas húmedo
e).- Yacimiento de gas seco.
Clasificación de los Yacimientos de Acuerdo a su Diagrama de Fase
DIAGRAMA DE FASE PARA LOS ACEITES DE BAJO ENCOGIMIENTO (Méndez L.T.)
TEMPERATURA
LIQUIDO
GAS
PR
ES
IÓN
A
B
C
Py,Ty
Pc
Ps
Ts Ty
75
50
25
0
D
RGA < 200 m3/m3
o >0.85 gr/cm3
Bo < 2.0 m3/m3
CONTENIDO C7+ ≥
20 %
YACIMIENTOS DE BAJO ENCOGIMIENTO (ACEITE NEGRO
TEMPERATURA
PR
ES
IÓN
LIQUIDO
A
B
C
D
E
Ts
Py, Ty
Ps
GAS
RGA 200-600
m3/m3
o 0.78-0.87
gr/cm3
Bo > 2.0 m3/m3
%Mol C7+12.5 -
20 TEMPERATURA
Pc
DIAGRAMA DE FASE PARA LOS YACIMIENTOS DE ALTO ENCOGIMIENTO (Clark N. J.)
PR
ES
IÓN
TEMPERATURA
LIQUIDO
0
50
35
5
Ty Ts
Ps
RGA 500-15,000 m3/ m3
o 0.75-0.82 gr/cm3
%C7+ 3 - 12.5%
D
B
Py, Ty
GAS
Pc
A
75
C
DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS Y CONDENSADO (Clark N.J.)
ACEITE DE ALTO ENCOGIMIENTO
PRESIÓN
VO
LU
ME
N (
%)
E
C
C C
B B
B
D
D
D
100
75
50
25
0
VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE HIDROCARBUROS EN EL YACIMIENTO CON LA PRESIÓN (Clark N.J.)
LIQUIDO
GAS
TEMPERATURA
A
B
Py, Ty Pc
Ps
Ts Ty
75 50 25
5 0
100
PR
ES
IÓN
RGA 10,000-20,000 m3/m3
o 0.75-0.80 gr/cm3
%C7+ 1 - 3%
DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS HUMEDO (Méndez L.T.)
TEMPERATURA
GAS
A
B
Py, Ty
Ps
Ts Ty
PR
ES
IÓN
LIQUIDO
Pc
RGA >20,000
m3/m3
o < 0.70 gr/cm3
%C7+ <1%
B
DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS SECO (Méndez L.T.)