FACILITADOR: DENY GONZALEZ

CIUDAD OJEDA, SEPTIEMBRE 2011

CONTENIDO 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

COMPORTAMIENTO PVT DE LOS GASES (LIQUIDO / VAPOR).

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). 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.

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

PLANIFICACION Y ESTRATEGIAS EVALUACION

UNIDADES

PLANIFICACION

FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Y CARACTERÍSTICAS DEL GAS NATURAL

ESTRATEGIA DE EVALUACION

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

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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.

GAS ASOCIADO A LIBRE GAS DULCE

GAS RICO GAS AGRIO (HUMEDO)

GAS POBRE (SECO)

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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

GAS IDEAL CUMPLE

GAS REAL NO CUMPLE

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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.

LEY DE GASES PERFECTOS Relaciona en una ecuación la Temperatura, Presión y el Volumen.

T = Constante

V

1 P

V .P

P = Constante

Constante

V T

V T

Constante

Volumen varía directamente con la Temperatura Absoluta. FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES De forma combinada

V1.P1 T1

V2.P2 T2

Constante

V .P T

Para un peso molecular de gas, puede escribirse

V.P T Ec.1

Ec. 2

R

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

Ecuación Gases Ideales P.V n.R.T m El Volumen de un mol (1) tendrá un volumen aproximado de n 379.6 pie3 PM m P = 14,7 psia P.V .R.T Si T = 60°F PM R

P.V n.T

14,7 psia 379 pie3 1lbmol 520 R

psia. ft 3 10,732 lbmol. R

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES

Diagramas p-v,T-v y p-T.

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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;

m v

P Pm R T

v

1

R T P Pm

g g

g aire

P ,T

PM 28,9625

* Las mismas condiciones de P y T FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES EJEMPLO: Calcular la densidad, volumen específico y gravedad específica del metano y etano con las siguientes condiciones 14,7 psia y 60°F.

PMC1

16,043

P PM R T

v

C1

1

PMC2

30,07

14,7 16,043 0,0423 lb 3 10,732 520 ft 3 1 ft 23,66 lb 0,0423

16,043 28,9626

0,5539

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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.

Porcentaje por mol % N i

Ni

100

N

Nj j 1

Porcentaje por Volumen %Vi

Vi N

100

Vj j 1

Porcentaje por peso (W) %W

Wi N

100

Wj j 1

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES EJEMPLO. Convertir de % W a % N y viceversa Comp.

Wi (%) Wi (100 lbs) (1) (2)

C1 C2 C3 Totales =

70 20 10 100

Comp.

Fraccion molar (Yi) (1)

C1 C2 C3 Totales =

0,8303 0,1266 0,0432 1

70 20 10

PM (3) 16,043 30,07 44,097

N (4) = (2/3) 4,363 0,665 0,227 5,255

%N = %V, (5) =4/ 4 83,028 12,656 4,315 100,000

Masa (W), %W PM (2) (3) = (1)*(2) (4) = (3/ 3)*100 W=Yi*PM 16,0430 13,3202 70,0000 30,0700 3,8058 20,0000 44,0970 1,9029 10,0000 19,0289119 100,000

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES EJERCICIO PROPUESTO. Convertir de % W a % N y viceversa COMP

Wi (%) 1

Wi (frac) 2

PM 3

N (4=2/3)

C1

70

16,043

C2

23

30,07

C3

7

44,097

Total =

COMP

100

Ni (frac Yi) 1

Total =

PM 2

C1

16,043

C2

30,07

C3

44,097

Total =

% N

Masa (W) 3=1*2 W=Yi*PM

Wi (%)

Total = FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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. 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

gas 1 500 ft

3

gas 2 1350 ft 3

1 lbmol 379,45 ft 3 1 lbmol 379,45 ft 3

1,3176 lbmol

3,5577 lbmol

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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. N

PM

Yi PMi i 1

Propiedades Pseudocriticas. Cada mezcla de gas tendrá su propia temperatura y presión critica. KAY introduce el concepto y su calculo N

Psc

N

Yi Pci

Tsc

i 1

Yi Tci i 1

Propiedades Pseureducidas.

Psr

P Psc

Tsr

T Tsc

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES Tabla de constantes físicas de los componentes del gas natural.

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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. Standing (1977), expreso de forma matemática la correlación grafica de Brown

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES Ejemplo. Estimar el peso molecular aparente y las propiedades pseudocriticas de la siguiente mezcla de gas. Presion = Temp =

14,7 psia 520 ºR

Composición C1 C2 C3 iC4 Totales =

Yi 0,720 0,120 0,080 0,080 1,000

PM 16,043 30,070 44,097 58,123 Propiedades PM a = Psc = Tsc = Psr = Tsr =

Pc 667,000 707,800 615,000 527,900

Tc (ºR) 343,010 549,740 665,590 734,080

Pm aparente 11,551 3,608 3,528 4,650 23,337

Psc 480,240 84,936 49,200 42,232 656,608

Tsc 246,967 65,969 53,247 58,726 424,910

23,337 lbm / lbmol 656,608 Psia 424,910 ºR P / Psc T / Tsc

0,022388 1,22379

Ejemplo Propuesto. Estimar el peso molecular aparente y las propiedades pseudocriticas de la siguiente mezcla de gas. Composición C1 C2 C3 iC4 Totales =

Yi Yi (n) 0,800 0,64257 0,250 0,200803 0,190 0,15261 0,005 0,004016 1,245 1

PM 16,043 30,070 44,097 58,123

Pc 667,000 707,800 615,000 527,900

Tc (ºR) 343,010 549,740 665,590 734,080

Pm aparente 10,309 6,038 6,730 0,233 23,310

Psc 428,594 142,129 93,855 2,120 666,698

Tsc 220,408 110,390 101,576 2,948 435,322

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES 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

P V

N Z R T

P V

W Z R T pm

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:

Z

Va Vi

Volumen actual de " n" moles de gas a P y T Volumen ideal de " n" moles de gas a P y T

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. FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES METODOS BASICOS PARA ENCONTRAR EL FACTOR DE COMPRESIBILIDAD Z. METODO DE PAPAY

Z

3,52 (Pr) 1 10 0,9813 (Tr )

0 , 274 (Pr) 2 10 0,8157 (Tr )

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

FsK

120( A0,9

A1,6 ) 15( B B4 ), R

Donde: A = Fracción Molar de (CO2 + H2S) B = Fracción Molar de H2S

T ' sc Tsc FsK Psc T ' sc P' sc Tsc B (1 B) FsK

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES METODO DE STANDING-KATZ

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES Ejemplo. Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas. P = 330 psia T = 80 °F COMP

Yi

Yim

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

485,45

912,10

0,7733

Psc

0,9998

912,10 psia Tsc Psr

Tsr

Tc (°R)

Pc (psia)

Yi x Tc

Yi x Pc

485,44 R

P Psc

330 912,10

T Tsc

540 1,11 485,44

0,361 Por Standing-Katz Z = 0,9

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES Ejemplo (cont.). Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas. Por correciónde H 2S y CO 2 A 0,1097 0,3128 0,4225 B 0,3128 FsK

120(0,42250,9 0,42251, 6 ) 15( 0,3128 0,31284 )

FsK

25,02 8,24 33,26 R

T ' sc Tsc FsK 485,44 33,26 452,18 R Psc T ' sc 912,10 452,18 P' sc Tsc B(1 - B) FsK 485,44 0,3128(1 0,3128) 33,26

Psr Tsr

837,27 psia

P 330 0,39 P' sc 837,27 T 540 1,19 T ' sc 452,18 FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES Ejemplo (cont.). Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas. METODO DE PAPAY

Z

3,52(Pr) 1 100,9813 (Tr )

Psr = 0,361

Z

Tsr = 1,11

0,274(Pr) 2 100,8157(Tr )

3,52 ( 0,631) 1 10 0,9813 (1,11)

0,274 (0,361) 2 10 0,8157 (1,11)

Z= 0,90 Ejercicio propuesto. Estimar el factor de compresibilidad de las siguientes mezclas de gases, si, P=300 psi y T =200 oF COMP

Zi

COMP

Zi

C1

0,6

C1

0,64

C2

0,16

C2

0,13

H2S

0,33

H2S

0,29

CO2

0,12

CO2

0,18

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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. FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES ECUACIONES DE ESTADO Ecuación de Van der Waals

Z3

(1 B ) Z 2 aP R 2T 2 27 R 2 Tc 2 64Pc

A a

AZ

AB B b

0 bP RT RTc 8 Pc

Para todas las ecuaciones de estado excepto Yarborough y Hall es conveniente considerar que para mezclas de gas: REGLA 1.

2

n

am

yi

ai

REGLA II.

n

am

yi y j aij i 1 j i

i 1 n

bm

yi bi

n

aij

ai a j n

i 1

bm

yi bi

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS i 1DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES ECUACIONES DE ESTADO Soave-Redlich-Kwong, (SRK)

Z3

Z2 A am P R2 T 2

A a

0,42747

b

0,08664

B 2 Z AB bm P B R T R 2 Tc 2 Pc

B

R T Pc

0

2

1 m1 m

T Tc

0.48 1.574 w 0.176 w 2

Ejemplo:

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

GAS NATURAL. COMPORTAMIENTO Y PROPIEDADES ECUACIONES DE ESTADO Ecuación de Peng Robinson, (PR) Z3

3B 2 2B Z bm P A B R T R 2 Tc 2 a 0,45724 Pc b

1 B Z2 am P R2 T 2

0,0778

Ejemplo:

R T Pc

A

AB

B2

B3

0

2

1 m1 m

T Tc

0.37464 1.54226 w 0.26992 w2

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

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.

FUNDAMENTOS DEL GAS NATURAL EN LOS PROCESOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA