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CIUDAD OJEDA, SEPTIEMBRE 2011

FACILITADOR: DENY GONZALEZ

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


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.


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


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.


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.


LEY DE GASES PERFECTOS

De forma combinada



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



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;



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.



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.



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



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



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.



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.



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.



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

Ejemplo. Estimar el peso molecular aparente y las propiedades pseudocriticas de la

siguiente mezcla de gas.



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



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



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



Ejemplo. Estimar el factor de compresibilidad de la siguiente mezcla de gas.



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



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.



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



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


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.





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



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




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)



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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