CONTENIDO
FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA
UNIDADES DESCRIPCION
FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Y
CARACTERÍSTICAS DEL GAS NATURAL
Definiciones. Generalidades de los procesos de Gas
Natural. Gases ideales, gases reales, mezclas de
gases.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS GASES.
Gravedad especifica. Propiedades críticas. Factor
acéntrico. Presión de vapor. Calor de vaporización.
Poder calorífico. Riquezas de un gas. Densidad
liquida y de vapor.
ECUACIONES DE ESTADO DEL GAS
NATURAL
Ecuaciones de estado: Redlich – Kwong / Soave –
Redlich – Kwong. Peng – Robinson. Benedict –
Webb – Rubin. Benedict – Webb – Rubin modificada
por Starling. Otras ecuaciones de estado.
Aplicaciones computacionales (Excel, Visual, Otros).
COMPORTAMIENTO PVT DE LOS GASES
(LIQUIDO / VAPOR).
Conceptos generales. Sistemas de un solo
componente, sistemas binarios. Sistemas
multicomponentes (Diagrama Presión –
Temperatura y Diagrama Presión – Volumen).
Constantes de Equilibrio. Uso del concepto
“Presión de Convergencia” y carta de GPSA.
PLANIFICACION Y ESTRATEGIAS EVALUACION
FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA
UNIDADES PLANIFICACION ESTRATEGIA DE
EVALUACION
FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Y
CARACTERÍSTICAS DEL GAS NATURAL 24 de Septiembre de 2011 CONVERSATORIO
PROPIEDADES FISICAS DE LOS GASES. 01 de Octubre de 2011 EVALUACION GRUPAL
ECUACIONES DE ESTADO DEL GAS
NATURAL 08 de Octubre de 2011 EVALUACION ESCRITA
COMPORTAMIENTO PVT DE LOS GASES
(LIQUIDO / VAPOR). 15 de Octubre de 2011 TALLER GRUPAL
GAS NATURAL
SE DENOMINA GAS NATURAL AL FORMADO POR LOS MIEMBROS MAS
VOLATILES DE LA SERIE PARAFINICA DE HIDROCARBUROS, PRINCIPALMENTE
METANO, CANTIDADES MENORES DE ETANO, PROPANO Y BUTANO. ADEMAS
PUEDE CONTENER CANTIDADES MUY PEQUEÑAS DE COMPUESTOS MAS
PESADOS.
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GAS ASOCIADO A LIBRE
GAS DULCE
GAS AGRIO GAS RICO (HUMEDO)
GAS POBRE (SECO)
GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
POSEE UNA SERIE DE PARTICULAS SIN VOLUMEN SIN VOLUMEN Y ENTRE LAS
CUALES NO EXISTE FUERZA DE ATRACCION.
ES UN FLUIDO HOMOGENEO
GENERALMENTE BAJA DENSIDAD Y VISCOSIDAD
SIN VOLUMEN DEFINIDO Y LLENA CUALQUIER VOLUMEN QUE OCUPA
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GAS IDEAL
CUMPLE
GAS REAL
NO CUMPLE
LEY DE AVOGADRO: Iguales volúmenes de gases ideales, a las mismas condiciones
de presión y temperatura, contienen igual numero de moléculas. este numero es
6.02x1023 moléculas para un gramo mol (un mol expresado en gramos; por ejemplo
para oxigeno O2, seria 32 gramos). En términos de gas natural un gramo mol ocupa
379 ft3 a 60 f y 14,7 psi.
MOL: Es la relación de la cantidad de una sustancia respecto a otra. La suma de los
pesos atómicos de los átomos que forman una molécula se denomina peso molecular.
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Relaciona en una ecuación la Temperatura, Presión y el Volumen.
T = Constante
Constante.1
PVP
V
P = Constante
Constante T
VTV
Volumen varía directamente con la
Temperatura Absoluta.
GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
LEY DE GASES PERFECTOS
De forma combinada
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
T
PV
T
PV
T
PV . Constante
..
2
22
1
11
Para un peso molecular de gas, puede escribirse
RT
PV . Donde R es una constante para todos los gases, por mol de gas. Para
“n” moles de un gas. La constante varia de acuerdo a las unidades
TRPM
mP
PM
mn
TRnP
...V 2 Ec.
...V 1 Ec. Ecuación Gases Ideales
El Volumen de un mol (1) tendrá un volumen aproximado de
379.6 pie3
Si T = 60°F P = 14,7 psia
Rlbmol
ftpsia
Rlbmol
piepsia
Tn
VPR
.
.732,10
5201
3797,14
.
. 33
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Diagramas p-v, T-v y p-T.
DENSIDAD, VOLUMEN ESPECIFICO Y GRAVEDAD ESPECIFICA. Definiendo la
densidad de un gas como peso por unidad de volumen y el volumen especifico como
volumen por unidad de peso, se tiene;
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
TR
PmP
v
m
PmP
TRv
1
TPaire
gg
,
* Las mismas condiciones de P y T
9625,28
PMg
EJEMPLO: Calcular la densidad, volumen específico y gravedad específica del metano y
etano con las siguientes condiciones 14,7 psia y 60°F.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
30423,0
520732,10
043,167,14
ft
lbTR
PMP
lbft
v3
66,230423,0
11
5539,09626,28
043,161C
07,30 043,1621 CC PMPM
MEZCLA DE GASES: La composición de una mezcla de gases (gas natural), se expresa
generalmente en porcentaje por mol, porcentaje (fracción) por volumen o porcentaje
por peso.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
100% (W) pesopor Porcentaje
100%Volumen por Porcentaje
100% molpor Porcentaje
1
1
1
N
j
i
N
j
ii
N
j
ii
Wj
WW
Vj
VV
Nj
NN
EJEMPLO. Convertir de % W a % N y viceversa
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Comp.Wi (%)
(1)
Wi (100 lbs)
(2)
PM
(3)
N
(4) = (2/3)
%N = %V,
(5) =4/ 4
C1 70 70 16,043 4,363 83,028
C2 20 20 30,07 0,665 12,656
C3 10 10 44,097 0,227 4,315
Totales = 100 5,255 100,000
Comp.Fraccion
molar (Yi) (1)PM (2)
Masa (W),
(3) = (1)*(2)
W=Yi*PM
%W
(4) = (3/ 3)*100
C1 0,8303 16,0430 13,3202 70,0000
C2 0,1266 30,0700 3,8058 20,0000
C3 0,0432 44,0970 1,9029 10,0000
Totales = 1 19,0289119 100,000
EJERCICIO PROPUESTO. Convertir de % W a % N y viceversa
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
COMP Wi (%) 1 Wi (frac) 2 PM 3 N (4=2/3) % N
C1 70 16,043
C2 23 30,07
C3 7 44,097
Total = 100 Total =
COMP Ni (frac Yi) 1 PM 2 Masa (W)
3=1*2
W=Yi*PM
Wi (%)
C1 16,043
C2 30,07
C3 44,097
Total = Total =
FLUJO DE MEZCLAS DE GASES. Común cuando convergen diversas líneas de flujo
en una sola. Se debe conocer las cantidades de cada gas y su composición.
Ejemplo: Un gas 1 de 500 ft3 se mezcla con un gas 2 de 1350 ft3, cuya composición es
la siguiente a condiciones normales. Determine la composición de la mezcla.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
lbmolft
lbmolft
lbmolft
lbmolft
5577,3 45,379
1 5013 2 gas
3176,1 45,379
1 500 1 gas
3
3
3
3
COMP Y1 Y2 Y1*Ntg1 Y2*Ntg2 Nt Yt(%)
C1 0,7 0,6 0,9223 2,1346 3,0569 62,70
C2 0,2 0,25 0,2635 0,8894 1,1529 23,64
C3 0,1 0,15 0,137 0,5336 0,6653 13,64
4,8751 100,00
Peso Molecular aparente. Puede calcularse a partir de la composición molar (por mol)
de la mezcla y de los pesos moleculares individuales de los componentes.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
N
i
PciYiPsc1
N
i
TciYiTsc1
Psc
PPsr
Tsc
TTsr
N
i
PMiYiPM1
Propiedades Pseudocriticas. Cada mezcla de gas tendrá su propia temperatura y
presión critica. KAY introduce el concepto y su calculo
Propiedades Pseureducidas.
Tabla de constantes físicas de los componentes del gas natural.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
En casos donde la composición del gas se desconocida, las propiedades pseudocriticas
pueden estimarse conociendo la gravedad especifica de la mezcla de gas.
Brown (1948), presento un método grafico para estimar las propiedades
pseudocriticas.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Standing (1977), expreso de forma
matemática la correlación grafica
de Brown
Ejemplo. Estimar el peso molecular aparente y las propiedades pseudocriticas de la
siguiente mezcla de gas.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Composición Yi PM Pc Tc (ºR) Pm aparente Psc Tsc
C1 0,720 16,043 667,000 343,010 11,551 480,240 246,967
C2 0,120 30,070 707,800 549,740 3,608 84,936 65,969
C3 0,080 44,097 615,000 665,590 3,528 49,200 53,247
iC4 0,080 58,123 527,900 734,080 4,650 42,232 58,726
Totales = 1,000 23,337 656,608 424,910Propiedades
PM a = 23,337 lbm / lbmol
Psc = 656,608 Psia
Tsc = 424,910 ºR
Psr = P / Psc 0,022388
Tsr = T / Tsc 1,22379
Presion = 14,7 psia
Temp = 520 ºR
Composición Yi Yi (n) PM Pc Tc (ºR) Pm aparente Psc Tsc
C1 0,800 0,64257 16,043 667,000 343,010 10,309 428,594 220,408
C2 0,250 0,200803 30,070 707,800 549,740 6,038 142,129 110,390
C3 0,190 0,15261 44,097 615,000 665,590 6,730 93,855 101,576
iC4 0,005 0,004016 58,123 527,900 734,080 0,233 2,120 2,948
Totales = 1,245 1 23,310 666,698 435,322
Ejemplo Propuesto. Estimar el peso molecular aparente y las propiedades
pseudocriticas de la siguiente mezcla de gas.
GASES REALES: Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de
temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es
muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se desvían en forma
considerable de las de los gases ideales
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
TRZNVP TRZp
WVP
m
Z, es la razón de volumen que realmente ocupa un gas a determinada presión y
temperatura, con respecto al volumen que ocuparía ese mismo gas si se comportará
como ideal, así:
T y P a gas de moles n"" de ideal Volumen
T y P a gas de moles n"" de actual Volumen
Vi
VaZ
Compresibilidad, propiedad que presentan los cuerpos materiales de disminuir su
volumen cuando se aumenta la presión ejercida sobre ellos. Es mucho mayor en los
gases que en los líquidos y sólidos.
METODOS BASICOS PARA ENCONTRAR EL FACTOR DE COMPRESIBILIDAD Z.
METODO DE PAPAY
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
RBBAAFsK ),(15)(120 46,19,0
Donde:
A = Fracción Molar de (CO2 + H2S)
B = Fracción Molar de H2S
FsKBBTsc
scTPscscP
FsKTscscT
)1(
''
'
EFECTO DE COMPONENTES NO HIDROCARBUROS EN EL CALCULO DEL
FACTOR DE COMPRESIBILIDAD. Puede haber un error de alrededor del 10 % en
aquellas mezclas de gases con altas concentraciones de componentes no
hidrocarburos ( H2S o CO2). Método de corrección Wichert - Aziz
10
(Pr) 274 , 0
10
(Pr) 52 , 3 1
) ( 8157 , 0
2
) ( 9813 , 0
Z
Tr Tr
METODO
DE
STANDING-KATZ
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Ejemplo. Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
P = 330 psia
T = 80 °F
COMP Yi Yim Tc (°R) Pc (psia) Yi x Tc Yi x Pc
C1 0,3836 0,4960 343,3300 666,4000 170,29 330,53
C2 0,0629 0,0813 549,9200 706,5000 44,71 57,44
H2S 0,2419 0,3128 672,4500 1300,0000 210,34 406,64
CO2 0,0849 0,1097 547,9100 1071,0000 60,11 117,49
0,7733 0,9998 485,45 912,10
RTscpsiaPsc 44,485 10,912
1,1144,485
540
0,36110,912
330
Tsc
TTsr
Psc
PPsr
Por Standing-Katz
Z = 0,9
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
19,118,452
540
'
39,027,837
330
'
27,83726,33)3128,01(3128,044,485
452,18912,10
FsKB)-B(1Tsc
''
18,45226,3344,485'
26,3324,802,25
)3128,03128,0(15)4225,04225,0(120
3128,0
4225,03128,01097,0
COy SH decorreción Por
46,19,0
22
scT
TTsr
scP
PPsr
psiascTPsc
scP
RFsKTscscT
RFsK
FsK
B
A
Ejemplo (cont.). Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
Psr = 0,361
Tsr = 1,11 10
) 361 , 0 ( 274 , 0
10
) 631 , 0 ( 52 , 3 1
) 11 , 1 ( 8157 , 0
2
) 11 , 1 ( 9813 , 0
Z
10
(Pr) 274 , 0
10
(Pr) 52 , 3 1
) ( 8157 , 0
2
) ( 9813 , 0
Z
Tr Tr
Ejemplo (cont.). Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas.
METODO DE PAPAY
Z= 0,90
COMP Zi
C1 0,6
C2 0,16
H2S 0,33
CO2 0,12
Ejercicio propuesto. Estimar el factor de compresibilidad de las siguientes mezclas de
gases, si, P=300 psi y T =200 oF
COMP Zi
C1 0,64
C2 0,13
H2S 0,29
CO2 0,18
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
ECUACIONES DE ESTADO
Ecuación de Van der Waals
Ecuación de Redlich-Kwong, (R-K)
Ecuación de Soave-Redlich-Kwong, (SRK)
Ecuación de Peng Robinson, (PR)
Ecuación de Yarborough
Ecuación de Van der Waals
La ecuación de Van der Waals es una ecuación de estado de un fluido compuesto de
partículas con un tamaño no despreciable y con fuerzas intermoleculares. La
ecuación, cuyo origen se remonta a 1873, debe su nombre a Johannes Diderik van
der Waals, quien recibió el premio Nobel en 1910 por su trabajo en la ecuación de
estado para gases y líquidos, la cual está basada en una modificación de la ley de los
gases ideales para que se aproxime de manera más precisa al comportamiento de los
gases reales al tener en cuenta su tamaño no nulo y la atracción entre sus partículas.
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
ECUACIONES DE ESTADO
Ecuación de Van der Waals
Pc
RTcb
Pc
TcRa
RT
bPB
TR
aPA
ABAZZBZ
8
64
27
0)1(
22
22
23
Para todas las ecuaciones de estado excepto Yarborough y Hall es
conveniente considerar que para mezclas de gas:
REGLA 1. REGLA II.
n
i
iim
n
i
iim
byb
aya
1
2
1
n
i
iim
jiij
n
i
n
ij
ijjim
byb
aaa
ayya
1
1
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
ECUACIONES DE ESTADO Soave-Redlich-Kwong, (SRK)
Ejemplo:
Pc
TRb
Pc
TcRa
TR
PbmB
TR
PamA
ABZBBAZZ
08664,0
42747,0
0
22
22
223
2
2
176.0574.148.0
11
wwm
Tc
Tm
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
ECUACIONES DE ESTADO
Ejemplo: Pc
TRb
Pc
TcRa
TR
PbmB
TR
PamA
BBABZBBAZBZ
0778,0
45724,0
0231
22
22
32223
2
2
26992.054226.137464.0
11
wwm
Tc
Tm
Ecuación de Peng Robinson, (PR)
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GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES
ECUACIONES DE ESTADO. PSEUDOCODIGO VISUAL BASIC Dim Nombre(13) As String
Dim tp As Double
Dim m(13) As Double
Const r = 10.73
Nombre(1) = N2: pm(1) = 28.0134: tc(1) = -232.51: pc(1) = 493.1: tb(1) = -320.451: zc(1) = 0.29: w(1) = 0.0372
p = Worksheets("PR").Range("b5").Value
tp = t + 460 'ºR
fm(1) = Worksheets("PR").Range("c10").Value
For i = 1 To 13
tc1 = tc1 + fm(i) * (tc(i) + 460)
pc1 = pc1 + fm(i) * pc(i)
tcc(i) = (tc(i) + 460) – fc
ba = ba + fm(i) * b(i)
aa = aa + (fm(i) * Sqr(a(i)))
Next i
psr = p / pc1
tsr = tp / tc1
ab = (aa ^ 2) * p / (r ^ 2 * tp ^ 2)
bb = ba * p / (r * tp)
tol = 0.0001
contador:
i = i + 1
y = (x ^ 3) - (1 - bb) * (x ^ 2) + (ab - (3 * bb ^ 2) - (2 * bb)) * x - ((ab * bb) - bb ^ 2 - bb ^ 3)
yd = (3 * x ^ 2) - (2 * (1 - bb) * x) + (ab - (3 * bb ^ 2) - (2 * bb))
x = x - (y / yd)
If (Abs(x - xb) >= tol) Then
xb = x
GoTo contador
Else
raiz = x
End If
Worksheets("PR").Range("g23").Value = ab
Worksheets("PR").Range("g24").Value = bb
Worksheets("PR").Range("g26").Value = x
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CAMPBELL, John (1994). Gas Conditioning and Processing: The Basic Principles. Vol 1.
Campbell Petroleum Series Edition.: Okalhoma, USA.
GAS PROCESSORS SUPPLIERS ASSOCIATION. (2004). Engineering Data Book. Tulsa,
Oklahoma
LUDWIG, Ernest. (1964). Applied Process Design for Chemical and Petrochemical
Plants. Gulf Publishing Co.
MARTÍNEZ, Marcías y PÉREZ PALACIOS, Ramiro. (1966). Comportamiento de
Gases y Comportamiento de Fases. LUZ: Maracaibo
Tarek Ahmed. “Hidrocarbon Phase Behavior”. Contribution in Petroleum Geology and
Engineering. Volume 7. Series editor: George V. Chillingar, University of Southern
California. Gulf Publishing company. Copyright 1989.
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