Análisis para determinar las propiedades físicas de mezclas de hidrocarburos. ‘Densidad y Viscosidad’.

González Alatriste José Eduardo, Hernández Betancourt Brenda Rubí, Miralrio Cabrera Luis Eduardo

Ingeniería Química Petrolera, Grupo: 2PM41

Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Resumen

Los términos gas y petróleo describen el estado de un hidrocarburo como vapor o líquido, pero no

especifican la composición química. Es posible utilizar una medición detallada de los componentes de un

hidrocarburo, como la obtenida en un laboratorio de superficie, para predecir los componentes de las fases

de petróleo y gas—así como también otras propiedades físicas, tales como la densidad y la viscosidad—a

diversas temperaturas y presiones.

La obtención de estas mediciones detalladas de laboratorio puede demandar mucho tiempo. Los

hidrocarburos comprenden una variedad de componentes que abarcan desde el metano que sólo tiene un

átomo de carbono hasta los compuestos de carbono de cadena muy larga, además de moléculas cíclicas,

aromáticas y otras moléculas complejas tales como los asfáltenos y las parafinas.

Efecto de la densidad sobre la viscosidad: Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el

volumen que ocupa. La densidad de un cuerpo está relacionado con su flotabilidad, una sustancia flotara

sobre otra si su densidad es menor. Mientras más denso sea el fluido, mayor será su viscosidad.

1. Introducción

Los Hidrocarburos son compuestos orgánicos que se encuentran en la naturaleza y están constituidos de

hidrogeno y carbono. Estos pueden ser livianos o pesados (según que contengan) y se pueden encontrar en

estado líquido, solido o gaseoso.

En un yacimiento de petróleo se encuentra gas, crudo y agua. Debido a que el yacimiento se encuentra a

miles de pies de profundidad del suelo, la cantidad de tierra y rocas que hay encima de éste ejerce grandes

presiones (miles de libras por pulgada cuadrada o psi) sobre el gas y crudo contenidos en él. El volumen del

crudo y el gas varían con la presión.

Los tipos de crudo se diferencian principalmente por las siguientes propiedades que se explicarán a

continuación:

Densidad

Viscosidad

2. Densidad y Viscosidad

2.1. Definición de densidad y viscosidad

La densidad de una sustancia se define como su masa por unidad de volumen.

La viscosidad en los fluidos influye en la facilidad de estos para fluir.

2.2. Densidad en los hidrocarburos

La densidad absoluta se utiliza como el parámetro característico para clasificar las propiedades de los

hidrocarburos.

Densidad del líquido de hidrocarburos generalmente se registra en términos de gravedad específica (SG) o

densidad relativa definen como:

Para un hidrocarburo o una fracción de petróleo, la gravedad específica se define como:

Una clasificación de la calidad de los crudos se fundamenta en su densidad relativa, la cual se mide según

sean más livianos o más pesados que el agua.

La mayoría de los crudos tienen densidades menores de 1 g/cm3, es decir que son menos densos que el

agua, por tal razón los encontramos en los yacimientos por encima del acuífero asociado al yacimiento. La

densidad de los hidrocarburos decrece conforme al siguiente orden: A>N>O>P

En la Tabla 1 se muestra la densidad de algunos derivados del petróleo:

Tabla 1. Densidad de algunos derivados

Al elevar la temperatura de un hidrocarburo baja la densidad e incrementa la fluidez. En la Grafica 1 se

muestra el comportamiento de un hidrocarburo.

Grafica 1. Relación entre densidad y temperatura

2.3. Gravedad API

En 1921, el American Petroleum Institute y el Bureau of Standards, adoptaron la escala de gravedad API,

como una medida arbitraria de densidad.

A 60°F (15.56 °C) el agua tiene una gravedad específica de 1 y una gravedad API de 10. A  medida que la

gravedad específica disminuye, la gravedad API aumenta. En la tabla 2 se muestra la clasificación del

petróleo según su ° API

Tabla 2. Clasificación de los hidrocarburos

PRODUCTO DENSIDAD

Gasolina 0.70-0.78Turbosina 0.78-0.83

Diesel 0.81-0.85Combustóleo 0.9-1.0

CRUDO °API

Superligero >39Ligero 31.1-39.0Medio 22.3-31.1Pesado 10.0-22.3

Extrapesado <10

2.4. Viscosidad de los hidrocarburos.

La viscosidad es una de las características más importantes de los hidrocarburos en los aspectos

operacionales de producción, transporte, refinación y petroquímica; el efecto de la temperatura sobre la

viscosidad de un líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; en el caso de los gases la

viscosidad aumenta con la temperatura, mientras que en caso de los líquidos, esta disminuye

invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura.

Los hidrocarburos líquidos se consideran fluidos newtonianos así como para un régimen laminar se someten

a la ley de newton.

En donde S es la fuerza tangencial, µ es la viscosidad dinámica y dv/dx es el gradiente de velocidad.

2.5. Normas ASTM

2.5.1 ASTM-Densidad

Métodos ASTM D287 y ASTM D1298 Densidad en crudos y productos del petróleo

Una muestra es transferida a una probeta que está aproximadamente a la misma temperatura de

la muestra. El hidrómetro es introducido y se deja caer libremente. Después de haber alcanzado

la temperatura de equilibrio, se lee la escala del hidrómetro y la temperatura de la muestra.

Viscosidad

Dinámica Se lleva acabo normalmente en un

viscosímetro capilar1 poise= 1 g/s cm

Cinemática Representa las características propias de

líquido despreciando las fuerzas que generan su movimiento

1 stoke =1 cm^2/sµ=viscosidad dinámica /densidad

Fig 1. Hidrómetro

Métodos ASTM D4052 y ASTM D5002 Densidad en líquidos y

crudo.

Están basados en un elemento vibratorio que mide la frecuencia de

vibración de un tubo que contiene el fluido. La vibración de un tubo es

recogida por bobinas electromagnéticas que transmiten una señal que

indica la frecuencia de vibración a un amplificador. La señal

amplificada se retroalimenta a las bobinas conductoras, las cuales

alcanzan una vibración de resonancia a una frecuencia natural,

determinada por la masa del tubo más la masa del fluido dentro de él.

Dado que la masa del tubo no varía, la frecuencia de salida cambia

únicamente por causa de la variación de la masa del fluido.

Método ASTM D70 Densidad en asfalto

La muestra es depositada en un picnómetro calibrado, el picnómetro y la

muestra son pesados y el volumen faltante es completado con agua. El

picnómetro lleno es llevado a la temperatura requerida por el ensayo (punto de

reblandecimiento del asfalto) y pesado. La densidad de la muestra es calculada a

partir de su masa y la masa de agua desplazada por la muestra cuando el

picnómetro está lleno.

Método ASTM D1657 Densidad en GLP.

Un cilindro de presión se llena hasta un nivel en el cual el hidrómetro sumergido flote libremente, este es

puesto en un baño a temperatura constante, cuando la temperatura ha alcanzado el equilibrio, se registra la

lectura del hidrómetro y la temperatura de la muestra.

2.5.2 ASTM-Viscosidad

Método ASTM D455-88 Viscosidad cinemática, líquidos trasparentes y no trasparentes

Muchos de los productos derivados del petróleo, y algunos materiales no derivados del petróleo, se utilizan

como lubricantes, y el correcto funcionamiento de los equipos depende de la viscosidad adecuada del

líquido que se utiliza.

Método ASTM D-2162-91 Calibración de viscosímetros de

referencia y viscosidad de aceite estándar.

Debido a que hay tensión superficial o diferencias de

viscosidad cinemática, o ambos, entre el patrón primario y las

Fig 2. Densímetro Digital

Fig 3. Picnómetro

Fig 4. Viscosímetro Capilar

normas de viscosidad cinemática, se requieren procedimientos especiales usando viscosímetros capilares.

Esta práctica cubre la calibración de viscosímetros maestros y normas de petróleo de viscosidad, ambos de

los cuales pueden ser utilizados para calibrar viscosímetros de rutina

3. Discusión

La densidad es una medida que nos permite saber la magnitud de un material cuando se encuentra

comprimido en un espacio determinado, es decir, es la medida del grado de compactación de un material; es

la cantidad de masa por unidad de volumen y puede utilizarse en términos absolutos o relativos.

Pero para que nos interesa saber esto en la industria petrolera, simple porque de ella depende que tan pesado

puede ser un material o un fluido, que en nuestro caso particular es el petróleo; esto para fines de

extracción, transporte y para poder refinarlo y obtener productos como son las gasolinas. Para saber la

calidad del crudo se utiliza una medida que indica cuánto pesa el petróleo o un producto de este en relación

al agua; a esto se le conoce como medida de Grados API.

La viscosidad es una propiedad que nos indica la oposición de un fluido al movimiento al aplicársele una

fuerza. La viscosidad dinámica se expresa en poise, es función sólo de la fricción interna del fluido. La

viscosidad cinemática de un fluido se define como su viscosidad dinámica dividida entre su densidad y su

unidad son los stokes.

La importancia de saber la viscosidad de un fluido es muy importante ya que nos permitirá diseñar

conductos para fluidos, oleoductos, en las fábricas para el bombeo y traslado de los materiales que se

procesan. Para la lubricación de motores de combustión, con el uso del aceite adecuado se logra una buena

lubricación evitando el desgaste de las piezas del motor y logrando su buen funcionamiento.

4. Conclusión

Mientras más liviano es un crudo mejor es su calidad y mayor es su precio. En la industria petrolera es muy

común expresar la densidad relativa de un crudo o su gravedad especifica en grados API, unidad creada por

el American Petroleum Institute.

Esta escala o parámetro, cuanto más ligero es el petróleo, mayor es su gravedad API menor es su viscosidad

cinemática y cuanto más pesado es el crudo, menor será su gravedad API y por lo tanto será más difícil de

introducirlo en el mercado.

Por eso es muy importante tomar en cuenta las propiedades físicas del crudo en este caso se habló de la

densidad y viscosidad para así tener en cuenta que parámetros son los que ayudan al mejoramiento del

crudo antes y después de su refinación del mismo.

5. Referencias

1. Riazi, M- R C Characterization and properties of petroleum fractions Edition 1 st (ASTM manual series: MNL50) ASTM stock number: MNL50 ISBN 0-8031-3361-8

2. C.S. Hsu, P.R Robinson eds, Practiacl Advences in petroleum Processing Vol. 1, Springer. New York. 2006 Speight, J.G Handbook of petroleum Analysis. Wiley Interscience. U.S.A. 2001. ISBN 0-471-36167-4

3. Anderson, E. V., "Optimismreturns to Mexico's petrochemical industry", en Chemical Engineering News, 7 de noviembre de 1986

4. Hatch, L. F. y Sami Matar, "From hydrocarbons to petrochemicals", en Hydrocarbon Processing, agosto de 1978