UAGRM

LAS PROPIEDADES DE

LOS FLUIDOS DEL

PETROLEO SEGUNDA EDICIO

WILLIAM D. MC CAIN, JR

09/08/2012

BORRADOR

I

1. CONTENIDO NOMENCLATURA .........................................................................................................

PREFACIO .....................................................................................................................

Componentes de los Fluidos del Petróleo Originado de forma natural ....................

Química Orgánica......................................................................................................

Teoría Estructural-Unión Química-Nombramiento de los Químicos Orgánicos-Hidrocarburos – Series Homologas

Alcanos ......................................................................................................................

Nomenclatura de los Alcanos – Propiedades físicas y químicas de los Alcanos

Alquenos ....................................................................................................................

Nomenclatura de los Alquenos – Propiedades físicas y químicas de los Alquenos

Alcadienos, Alcatrienos y Alcatetraenos ...............................................................

Alquinos .....................................................................................................................

Nomenclatura de los Alquinos – Propiedades físicas y químicas de los Alquinos

Hidrocarburos Ciclo-alifáticos .................................................................................

Cicloalcanos - Anillos condensados – Cicloalquenos y Cicloalcadienos

Aromáticos ................................................................................................................

Benceno – Uniones del Benceno – Nomenclatura de los Hidrocarburos Aromáticos – Propiedades físicas y químicas de los Hidrocarburos Aromáticos

Ciclo-alcano-aromáticos ...........................................................................................

Otros componentes Orgánicos ...............................................................................

Componentes no hidrocarburos del petróleo ........................................................

Compuestos sulfurosos – Compuestos de Oxígeno – Compuestos de Nitrógeno –Componentes órgano metálicos

Resinas y Asfaltenos ................................................................................................

Clasificación del Petróleo Crudo .............................................................................

Clasificación Física - Clasificación Química

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias Generales .............................................................................................

Comportamiento de fases ...........................................................................................

Sustancias Puras .....................................................................................................

Diagrama De Fase Para Una Sustancia Pura – Uso De Los Diagramas De Fase – Presión De Vapor De Una Sustancia Pura – Diagrama Presión Volumen Para Una Sustancia

Mezclas de Dos Componentes .................................................................................

Diagramas De Fase De Mezclas De Dos Componentes - Diagrama Presión-Volumen Para Una Mezcla De Dos Componentes – Diagramas De Composición

Mezclas de Tres Componentes ...............................................................................

Diagramas Ternarios – Diagramas De Fase Para Tres Componentes – Uso De Los Diagramas Ternarios

Mezclas Multicomponentes ......................................................................................

Ejercicios ..................................................................................................................

BORRADOR

II

Referencias ...............................................................................................................

Ecuaciones de estado .................................................................................................

El Gas Ideal ...............................................................................................................

Ecuación de Boyle – Ecuación de Charle – Ley de Avogadro – La Ecuación De Estado Para Un Gas Ideal – Teoría Cinética De Los Gases

Mezclas de Gases Ideales .........................................................................................

Ley de Dalton las Presiones Parciales – Lay de Amagat de los Volúmenes Parciales – Peso molecular Aparente de una Mezcla de Gases – Gravedad Especifica de un Gas

Comportamiento de los Gases Reales ....................................................................

Ecuación De Estado Con Compresibilidad – Ley De Los Estados Correspondientes – La Ecuación De Estado Con Compresibilidad Para Mezclas De Gas

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Otras ecuaciones de estado para gases reales ..........................................................

Ecuación de estado de Van der Waals ...................................................................

Otras ecuaciones de estado con “el espíritu de van der Waals” ...........................

Ecuaciones de estado en el punto critico ..............................................................

La ecuación de estado virial ....................................................................................

Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman ............................................................

Ecuación de estado Benedict-Webb-Rubin ............................................................

Desarrollos recientes en ecuaciones de estado ....................................................

Ecuación de estado Redlich-Kwong – Ecuación de estado Peng-Robinson – mezclando reglas

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Referencias Generales .............................................................................................

Los cinco fluidos del reservorio ..................................................................................

Diagramas de fase para Multicomponentes ...........................................................

Los cinco fluidos del reservorio .............................................................................

Identificación de los tipos de fluidos

Petróleos negros ......................................................................................................

Diagrama de fase para el petróleo negro – comentarios – identificación en el campo del petróleo negro – análisis de laboratorio en petróleos negros

Petróleos volátiles ....................................................................................................

Diagrama de fase para petróleo volátil - – comentarios – identificación en el campo del petróleo volátil – análisis de laboratorio en petróleo volátil

Gases retrógrados ...................................................................................................

Diagrama de fase para gases retrógrados– identificación en el campo de gases retrógrados – análisis de laboratorio en petróleo volátil – comentarios

Gases húmedos .......................................................................................................

Diagrama de fase del gas húmedo – comentarios – identificación en el campo de gases húmedos

Gases secos .............................................................................................................

BORRADOR

III

Diagrama de fase del gas seco – comentarios

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Propiedades del Gas Seco ...........................................................................................

Condiciones estándar ...............................................................................................

Gas seco ....................................................................................................................

Factor volumétrico del gas de formación – el coeficiente de la compresibilidad isotérmica del gas – el coeficiente de viscosidad del gas

Valor de calentamiento

Efecto Joule-Thomson ..............................................................................................

Ejercicios ...................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Propiedades del gas húmedo ......................................................................................

Recombinación de los fluidos en superficie – composiciones conocidas ...........

Composiciones superficiales conocidas – composiciones en el separador conocidas

Recombinación de fluidos en superficie – composiciones desconocidas ...........

Propiedades conocidas del gas en separador y los gases de ventilación del tanque de almacenamiento – propiedades desconocidas del gas en el tanque de almacenamiento

Factor volumétrico de formación del gas húmedo .................................................

Composiciones superficiales conocidas – composiciones desconocidas

Productos de planta ..................................................................................................

Gases retrógrados ....................................................................................................

Ejercicios ...................................................................................................................

Referencias ................................................................................................................

Propiedades del petróleo negro – definiciones ..........................................................

Gravedad específica para un líquido ......................................................................

Factor volumétrico de formación para el petróleo ..................................................

Relación de solubilidad gas-petróleo ......................................................................

El coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo ....................................

Presiones por encima del punto de burbuja – presiones por debajo del punto de burbuja

Coeficiente de viscosidad del petróleo ...................................................................

Coeficiente de expansión térmica isobárica de un líquido ....................................

Tensión interfacial .....................................................................................................

Petróleos volátiles ....................................................................................................

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Propiedades del petróleo negro – datos de campo ....................................................

Reservorios de petróleo – presión inicial del reservorio ......................................

Reservorios de petróleo – tendencias de producción de gas ...............................

Reservorios de petróleo – tendencias de presión ................................................

BORRADOR

IV

Propiedades de los fluidos extraídos del historial Producción-Presión ...............

Ajustes a los datos de gas superficial ....................................................................

Petróleos volátiles ....................................................................................................

Gases retrógados .....................................................................................................

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Propiedades del petróleo negro – estudios de los fluidos del reservorio ...............

Recolección de muestras de petróleo del reservorio ............................................

Estudio de los fluidos del reservorio ......................................................................

Composiciones – separación flash – separación diferencial – exámenes en el separados – viscosidad del petróleo – viscosidad del gas

Propiedades de los fluidos del reservorio desde el estudio de los fluidos del reservorio ..................................................................................................................

Selección de las condiciones del separador – factor volumétrico de formación del petróleo – relación gas-petróleo – factor volumétrica de formación para el gas – factor volumétrico de formación total – viscosidades coeficiente de la compresibilidad isotérmica del petróleo

Ejercicios ...................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Propiedades del petróleo negro - correlaciones ........................................................

Presión de punto de burbuja ....................................................................................

Relación gas-petróleo ...............................................................................................

Densidad de un líquido .............................................................................................

Calculo de la densidad de un líquido usando principios de una solución ideal – cálculo de la densidad del líquido del reservorio a presión de saturación usando principios de una solución ideal – cálculo de la densidad del líquido del reservorio para presiones arriba del punto de burbuja

Factor volumétrico de formación del petróleo ........................................................

Estimación del factor volumétrico del petróleo a la presión de saturación usando principios de una solución ideal - estimación del factor volumétrica de petróleo a presión de saturación usando una correlación – estimación del factor volumétrico del petróleo a presiones por encima de la presión de burbuja

Ajustes al factor volumétrico del petróleo y relación gas-petróleo para el presión de burbuja derivada del campo .................................................................

Factor volumétrico total ...........................................................................................

El coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo ...................................

Coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo a presiones por encima del punto de burbuja - Coeficiente de compresibilidad isotérmica del petróleo a presiones por debajo del punto de burbuja

El coeficiente de viscosidad del petróleo ................................................................

Estimación de la viscosidad del petróleo en el punto de burbuja y por debajo – estimación de la viscosidad del petróleo por encima del punto de burbuja

Tensión interfacial ....................................................................................................

Tensión interfacial liquido-gas, para sustancias puras - Tensión interfacial liquido-gas, para mezclas de hidrocarburos

Ejercicios ..................................................................................................................

BORRADOR

V

Referencias ...............................................................................................................

Equilibrio gas-liquido ...................................................................................................

Soluciones ideales ....................................................................................................

Ecuación de Raoult – ecuación de Dalton – composiciones y cantidades de las fases en equilibrio de una solución ideal – cálculo de la presión de burbuja de una solución ideal - cálculo de la presión de rocío de una solución de gas ideal

Soluciones no ideales ...............................................................................................

Composiciones y cantidades de las fases en equilibrio de una solución real – cálculo de la presión burbuja para un líquido real – cálculo del punto de rocío de un gas real

Separación flash .......................................................................................................

Separación diferencial .............................................................................................

Procedimiento de cálculo, presión final conocida – procedimiento de cálculo, numero conocido de moles a ser vaporizados

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Separación superficial ..................................................................................................

Separadores superficiales para petróleos negros ..................................................

Cálculos en el separador para otros tipos de fluidos del reservorio ....................

Cálculo de factores K de separador.........................................................................

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Correlaciones radio-equilibrio .....................................................................................

Presión de convergencia ..........................................................................................

Definición de convergencia – estimación de la presión de convergencia

Efecto de valores inexactos de radios de equilibrio ...............................................

Correlación y factores de K de alisamiento ............................................................

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Cálculos del equilibrio gas-liquido con ecuaciones de estado .................................

Sustancias puras ......................................................................................................

Potencia química – la fugacidad – coeficiente de fugacidad ejemplo de cálculo de estado para una sustancia pura

Mezclas .....................................................................................................................

Potencia química – coeficiente de fugacidad – ejemplo de cálculo de estado para mezclas

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Referencias generales .............................................................................................

Propiedades de las aguas de un campo petrolero .....................................................

Composición de las aguas ......................................................................................

Presión de punto de burbuja ....................................................................................

Factor volumétrico ....................................................................................................

BORRADOR

VI

Densidad ...................................................................................................................

Solubilidad de gas natural en el agua .....................................................................

El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua .....................................

El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua a presiones por encima del punto de burbuja – El coeficiente de la compresibilidad isotérmica del agua a presiones por debajo del punto de burbuja

El coeficiente de viscosidad de las aguas de formación .......................................

Solubilidad del agua en gas natural.........................................................................

Solubilidad del agua en hidrocarburos líquidos .....................................................

Resistividad de las aguas de formación ..................................................................

Tensión interfacial .....................................................................................................

Tensión interfacial entre el agua y el hidrocarburo gas – tensión interfacial entre el agua y el hidrocarburo líquido

Ejercicios .......................................................................................................................

Referencias ....................................................................................................................

Referencias generales ...................................................................................................

Hidratos de gas

Formación de los hidratos de gas ..........................................................................

Condiciones para la formación de los hidratos de gas ..........................................

Inhibición de la formación de hidratos de gas ........................................................

Formación de hidratos de gas causada por la reducción de presión ..................

Ejercicios ..................................................................................................................

Referencias ...............................................................................................................

Referencias generales .............................................................................................

Apéndice A ...................................................................................................................

Apéndice B ...................................................................................................................

Índice ............................................................................................................................

BORRADOR

NOMENCLATURA

INGLES

a, b, c Constantes en varias ecuaciones de estado

a, b, c, Ao, Bo Constantes en la ecuación de estado de Beattie-Bridgeman

a, b, c, Ao, Bo, Co, α, γ Constantes en la ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin

ac Constante en la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson

aT Coeficiente dependiente de la temperatura en las ecuaciones de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson

aTi Coeficiente dependiente de la temperatura del componente i

aTj Coeficiente dependiente de la temperatura del componente j

A Numero de moléculas por peso molecular de Avogadro

A Área del corte transversal

A Suma de la fracción molar de dióxido de carbono y sulfuro de hidrogeno en la Ecuación B-17

A, B, A´, B´ Coeficientes en varias ecuaciones de estado

A´j, B´ j Coeficientes para el componente j

A, B, E Coeficientes en la ecuación de estado Beattie-Bridgeman modificada por Beattie

AGP Gas producido adicional, un parámetro en la ecuación de gravedad específica para un reservorio de gas, definida en la Ecuación 7-11

API, ºAPI Gravedad del líquido en grados ºAPI, definido en la Ecuación 8-2

jb Coeficiente para el componente j en varias ecuaciones de estado

jb Factor de graficación definido en la ecuación 14 – 4

ob Factor de encogimiento del petróleo, definido en la ecuación 8 – 4

B Fracción molar de sulfuro de hidrogeno en la ecuación B – 17

B, C, … Coeficientes viriales

BORRADOR

VIII

gB Factor volumétrico del gas de formación, específicamente del gas seco, definido en la ecuación 6 – 1

oB Factor volumétrico de formación, definido en la ecuación 8 – 3

obB Factor volumétrico del petróleo en el punto de burbuja

oDB Vea la tabla 10 – 3

oDbB Vea la tabla 10 – 3

oSbB Vea la tabla 10 – 3

tB Factor volumétrico total (dos fases), definido en la ecuación 8 – 6

tDB Vea la tabla 10 – 3

wB Factor volumétrico de formación del agua, definido en el capítulo 16

wbB Factor volumétrico de formación del agua en el punto de burbuja del agua

wgB Factor volumétrico del gas húmedo, definido en la ecuación 7 – 12

gc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del gas, definida en las ecuaciones 6 – 4

oc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del líquido, definida en las ecuaciones 8 – 7 o la ecuación 8 – 24

prc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del gas pseudoreducido, definido en la ecuación 6 – 14

wc Coeficiente de compresibilidad isotérmica del agua, definido en las ecuaciones 16 – 2 o la ecuación 16 – 3

C Constante de integración o constante de proporcionalidad

pb

CN Definido en la ecuación B – 38

Bob

CN Definido en la ecuación B – 48

pC Capacidad calorífica del gas a una presión constante

d Densidad molar 1 MV

EXP x Equivalente a xe

BORRADOR

IX

f Fugacidad, definido en la ecuación 15 – 3

jf Fugacidad del componente j, definido en la ecuación 15 – 18

gf Fugacidad del gas en equilibrio con el liquido

gjf Fugacidad del componente j del gas en equilibrio con el liquido

Lf Fugacidad del líquido en equilibrio con el gas

Ljf Fugacidad del componente j del líquido en equilibrio con el gas

jF Factor de la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 9

G Potencial químico

jG Potencial químico del componente j

GPM Líquidos contenidos en el gas, galones por MSCF

jGPM Líquidos contenidos del componente j en el gas, en galones por MSCF de gas

J Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 5

J´ Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 3

K Relación de equilibrio, definida en la ecuación 12 – 14

K Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 6

K´ Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definida en la ecuación B – 4

jK Relación de equilibrio para el componente j

C

jK Valor calculado de la relación de equilibrio del componente j

T

jK Valor de prueba de la relación de equilibrio para el componente j

ln Logaritmo natural, base e

log Logaritmo común, base 10

L Largo

BORRADOR

X

cL Valor de calor (calor de combustión)

cjL Valor de calor para el componente j

vL Calor latente de vaporización

m Masa

m Constante en las ecuaciones de estado Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson

m´ Masa de una molécula

Rm Masa de un reservorio de gas

M Peso molecular

aM Peso molecular aparente, definido en la ecuación 3 – 35

aireM Peso molecular del aire

7CM Peso molecular aparente del carbono 7 plus

gM Peso molecular aparente del gas

jM Peso molecular aparente del componente j

LM Peso molecular del líquido en equilibrio con el gas

oM Peso molecular aparente del líquido

oRM Peso molecular aparente del líquido del reservorio

STOM Peso molecular aparente del líquido en el taque de almacenamiento

n Numero de moles, total de moles

n´ Numero de moléculas

gn Numero de moles de gas en equilibrio con líquido

jn Numero de moles del componente j

Ln Numero de moles de líquido en equilibrio con el gas

LfN Moles del líquido remanente al fin de la separación diferencial

BORRADOR

XI

Rn Numero de moles de un reservorio de gas

gn Fracción molar de gas, gn n

1 2, ,...g gn n Fracciones de gas formadas en las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas

Ln Fracción mola de líquido, Ln n

1 2, ,...L Ln n

Fracción molar de líquido formada en las etapas 1, 2. … del proceso de separación por etapas

p Presión

p

Cambio de presión

presion corr campob bp p , Ecuación 1 – 8

bp Presión de burbuja

corrbp

Presión de burbuja obtenido por correlación

campobp Presión de burbuja obtenido de los datos de producción

cp Presión critica

cjp Presión critica para el componente j

dp Presión de rocío

jp Presión parcial del componente j en una mezcla de gases, definido en el capítulo 3

kp Presión de convergencia

pcp Presión pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 42

pcp Presión pseudocrítica corregida para componentes no hidrocarburos, vea la ecuación 3 – 45

prp Presión pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 43

rp Presión reducida, definida en la ecuación 3 – 48

rjp Presión reducida del componente j

Rp Presión del reservorio

BORRADOR

XII

scp Presión a condiciones estándar, vea la Tabla 6 – 1

SPp Presión del separador

1 2, ,...SP SPp p Presión en las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas

vp Presión de vapor

vjp Presión de vapor del componente j

vrp Presión de vapor reducida, v cp p

P Paracoro en las ecuaciones de tensión interfacial

jP Paracoro del componente j

r Resistencia eléctrica

R Proporción gas-petróleo de producción

R Constante universal de los gases

sR Proporción gas-petróleo en solución (solubilidad del gas en el petróleo), definida en la ecuación 8 – 5

sbR Proporción gas-petróleo en solución en el punto de burbuja

sDR Vea la tabla 10 – 3

sDbR Vea la tabla 10 – 3

swR Proporción gas-agua en solución (solubilidad del gas en el agua)

WR Resistividad del agua, definida en las ecuaciones 16 – 5

SPR Relación gas-petróleo en el separador

1 2, ,...SP SPR R Relación gas-petróleo de las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas

STR Relación gas-petróleo en el tanque de almacenamiento

S Salinidad de la salmera

T Temperatura

T Cambio de temperatura

BORRADOR

XIII

BT Temperatura en el punto de ebullición normal

BjT Temperatura en el punto de ebullición normal del componente j

CT Temperatura critica

cjT Temperatura critica del componente j

hT Reducción en la temperatura de formación de hidratos

pcT Temperatura pseudocrítica, definida en la ecuación 3 – 42

pcT Temperatura pseudocrítica ajustada para componentes no hidrocarburíferos, vea la ecuación 3 – 44

prT Temperatura pseudoreducida, definida en la ecuación 3 – 43

rT Temperatura reducida, definida en la ecuación 3 – 41

rjT Temperatura reducida para el componente j

RT Temperatura del reservorio

scT Temperatura a condiciones estándar

SPT Temperatura del separador

1 2, ,...SP SPT T Temperatura de las etapas 1, 2, … del proceso de separación por etapas

v Velocidad molecular

v Volumen especifico

V Volumen

bV Volumen de líquido en el punto de burbuja

VEQ Equivalente de volumen de gas en el tanque de almacenamiento, es un parámetro en la ecuación de gravedad especifica del gas de reservorio, definida en la ecuación 7 – 10

jV Volumen parcial del componente j, definida en el capítulo 3

MV Volumen molar, volumen de un mol

BORRADOR

XIV

McV Volumen molar en el punto critico

MgV Volumen molar del gas

MLV Volumen molar del líquido

oV Volumen de líquido

RV Volumen de gas calculado a condiciones del reservorio

scV Volumen de gas calculado a condiciones estándar

tV Volumen total

t

b F

V

V

Vea la tabla 10 – 3

WV Volumen de agua

wpV Cambio en volumen del agua durante la presión de la presión

en la ecuación wB , ecuación 16 – 1

1Cw lb de metano/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

2Cw lb de etano/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

2COw lb de dióxido de carbono/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

2H Sw lb de sulfuro de hidrogeno/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

mixw lb de la mezcla/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

2Nw lb de nitrógeno/ lb mol de la mezcla (fracción molar por el peso molecular del componente)

jw Peso fraccional del componente j

W Contenido de humedad, ecuación B – 76

W Peso porcentual del soluto, ecuación B – 89

1W Peso fraccional del metano en una mezcla, definido en la ecuación 11 – 1, usado como un porcentaje en la figura 11 – 6

BORRADOR

XV

2W Peso fraccional del etano en el etano y más pesados, definido en la ecuación 11 – 2, usado como porcentaje en la figura 11 – 6

jx Fracción molar del componente j en un líquido

jix Fracción molar del componente j en el líquido a condiciones iniciales

jfx Fracción molar del componente j en el líquido a condiciones finales

jy Fracción molar del componente j en el gas

Y Volumen de condensado

z Factor de compresibilidad (z = pV/nRT), definido en la ecuación 3 – 40

cz Factor de compresibilidad en el punto critico

gz Factor de compresibilidad del gas (zg = pVMg/nRT)

jz Fracción molar del componente j en el total de la mezcla

Lz Factor de compresibilidad del líquido (zL = pVML/nRT)

scz Factor de compresibilidad a condiciones estándar

Griego

Coeficiente dependiente de la temperatura en las ecuaciones de estado de Soave-Relich-Kwong y Peng-Robinson

j Coeficiente dependiente de la temperatura del componente j

Coeficiente de expansión térmica isobárica, definida en la ecuación 8 – 25

7C Gravedad especifica del heptano 7 plus, definido por lo que respecta a líquido

gR Gravedad especifica del gas del reservorio

gSP Gravedad especifica del gas en el separador

1gSP Gravedad especifica del gas en la primera etapa del separador

2gSP Gravedad especifica del gas en la segunda etapa del

BORRADOR

XVI

separador

gST

Gravedad especifica del gas en el tanque de almacenamiento

o Gravedad especifica del líquido, definida en la ecuación 8 – 1

oj

Gravedad especifica del componente j de un líquido

STO

Gravedad especifica del petróleo en el tanque de almacenamiento

w Gravedad especifica del agua (salmuera), definida en el capítulo 16

ij Coeficiente de interacción binaria en las ecuaciones de estado de Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson

Indica diferencia, cambio

Factor de ajuste de la temperatura pseudocrítica para componentes no hidrocarburíferos, ecuaciones 3 – 44 y 3 – 45

j Error funcional del componente j, capitulo 15

J Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definido en la ecuación B – 7

K Factor en la ecuación Stewart-Burkhardt-Voo, definido en la ecuación B – 8

Viscosidad dinámica

g Viscosidad del gas (dinámica)

gi

Viscosidad del gas del componente j

1g Viscosidad del gas a presión atmosférica

o Viscosidad del petróleo (dinámica)

ob

Viscosidad del petróleo (dinámica) en el punto de burbuja

oD

Viscosidad del petróleo (dinámica) a presión atmosférica (petróleo muerto, en el tanque de almacenamiento)

w Viscosidad del agua (dinámica)

1w Viscosidad del agua (dinámica) a presión atmosférica

v Viscosidad cinemática, definida en la ecuación 6 – 15

BORRADOR

XVII

a Densidad liquida aparente de una solución de gas

, 1a C

Densidad liquida aparente del metano

, 2a C

Densidad liquida aparente del etano

bs

Densidad del líquido a presión del reservorio y 60ºF

3C Densidad del propano y más pesados parte de la mezcla

g Densidad del gas

gc

Densidad del gas en su punto critico

2H S

Ajuste a la densidad del líquido debido al contenido de sulfuro de hidrogeno

L Densidad del líquido en equilibrio con el gas

o Densidad del líquido

oj

Densidad del componente j como líquido a condiciones estándar

ob

Densidad del líquido a las condiciones de punto de burbuja

oR

Densidad del líquido del reservorio a condiciones del reservorio

p Ajuste a la densidad del líquido debido a la presión

pr

Densidad pseudoreducida del gas, definida en la ecuación B – 18, B – 11

STO

Densidad del tanque de almacenamiento, a condiciones estándar

T Ajuste a la densidad del líquido debido a la temperatura

w Densidad del agua (salmuera)

Tensión interfacial

gw

Tensión interfacial gas-agua

j Coeficiente de fugacidad del componente j, definido en la ecuación 15 – 21

BORRADOR

XVIII

gj

Coeficiente de fugacidad del componente j en el gas

Lj

Coeficiente de fugacidad del componente j en el líquido

Factor acéntrico

j

Factor acéntrico del componente j

a

Constante en la ecuación de estado, 0.45724 en la ecuación Peng-Robinson, 0.42747 en la ecuación de Soave-Redlich-Kwong

b

Constante en la ecuación de estado, 0.07780 en la ecuación Peng-Robinson, 0.08664 en la ecuación de Soave-Redlich-Kwong

Subíndices

a

Aparente, además usada con a

para indicar la contante en

la ecuación ca

Actual Actual (como en un gas real)

Aire Aire

A,B,C Diferentes especies químicas, diferentes componentes de una mezcla

A Argón

b Punto de burbuja, usado además con b

para indicar la

constante en la ecuación b

B Punto de burbuja

c Crítico, además usado con cL para representar combustión

corr Valor de una propiedad obtenido por correlación

C1, C2, C3, … Metano, etano, propano, …

C3+ Propiedad de la fracción de propano plus en una mezcla de petróleo

C7+ Propiedad de la fracción de heptano plus en una mezcla de petróleo

CO2 Dióxido de carbono

C + Propiedad de la fracción plus en una mezcla de petróleo

d Punto de rocío

BORRADOR

XIX

dry Seco, con cL indica sin agua antes de la combustión

D Propiedad medida en una vaporización diferencial (vea la tabla 10 – 3) usada además para el petróleo muerto

f Valor final o condiciones finales

field Valor o propiedad obtenido del historial de producción

F Propiedad obtenida en la vaporización flash, vea la tabla 10 – 3

g Gas

g1 Gas a la presión atmosférica

H2S Sulfuro de hidrogeno

i Valor inicial o condiciones iniciales o diferentes componentes de una mezcla

ideal Propiedad de un gas ideal o de una mezcla ideal

ij i y j representan diferentes componentes de una mezcla

ijk i, j y k representan diferentes componentes en una mezcla

j Diferentes componentes en una mezcla

jf j representa diferentes componentes de una mezcla, f representa valor final o condiciones finales

ji j representa diferentes componentes de una mezcla, i representa valor inicial o condiciones iniciales

L Líquido, usualmente en el contexto de líquido en equilibrio con el gas

mix Mezcla

M Molar

N2 Nitrógeno

o Petróleo o líquido

O2 Oxigeno

p Presión (en el contexto de la constante de presión en pC ) o

dependiente de la presión

pc Pseudocrítica

pr Pseudoreducida

BORRADOR

XX

r Reducida

R Reservorio (usada solo cuando sea necesario el distinguir

entre cantidades en el mismo cálculo, tal como en oR y STO

)

s Solución (gas en solución)

S Propiedad medida en una prueba de separador, vea la tabla 10 – 3

SP Separador

SP1 Primera etapa del separador

SP2 Segunda etapa del separador

ST Tanque de almacenamiento

STO Tanque de almacenamiento de petróleo (usado solo cuando sea necesario para distinguir entre cantidades en el mismo

cálculo, tal como en oR y STO )

t Total o dos fases

T Temperatura o dependiente de la temperatura

v Usado en vp para indicar la presión de vapor y vL para

indicar vaporización

w Agua (salmuera del reservorio)

wet Mojado, con cL para indicar saturación con vapor de agua

antes de la combustión

wg Gas húmedo

1, 2, 3, … Pretende primariamente indicar diferentes condiciones de presión y temperatura, además es usado para indicar etapas de separación

Superíndices

C Valor calculado

T Valor de la prueba

Abreviaciones

A Unidad angstrom 810 cm

AGP Gas adicional producido, un parámetro en la ecuación de gravedad especifica del gas en el reservorio

BORRADOR

XXI

ºAPI Grados (Instituto Americano del Petróleo)

atm Atmosfera

bbl Barriles

bbl/d Barriles por día

lb/gal Libras por galón

lb mol Libras mol

lb/ sq in Libras por pulgada cuadrada

lb/ sq ft Libras por pie cuadrado

lim Limite

liq Líquido

ln Logaritmo natural (base e)

log Logaritmo común (base 10)

m Metro

meq Peso mili equivalente

mg Miligramo

microsip 1 610psi

ml Mililitro

mm Hg Milímetros de mercurio

mol wt Peso molecular

MMscf Millón de pies cúbicos estándar

MMSTB Millón de barriles fiscales

MSTB/d Miles de barriles estándar por día

oz/sq in Onzas por pulgada cuadrada

ppm Partes por millón

psi Libras por pulgada cuadrada

psia Libras por pulgada cuadrada absolutas

psig Libras por pulgada cuadrada medidas

res Reservorio

BORRADOR

XXII

res cu ft Pies cúbicos del gas del reservorio reportados a las condiciones del reservorio

res bbl Barriles de líquido o gas del reservorio (o ambos) reportados a las condiciones del reservorio

ºR Grados Rankin

scf Pies cúbicos estándar, volumen de gas reportado a condiciones estándar

scf/STB Pies cúbicos estándar de gas por barril en el tanque de almacenamiento

sec Segundos

sip 1psi

sp. gr. Gravedad especifica

sq Cuadrado

sq cm Centímetros cuadrados

sq ft Pies cúbicos

sq in Pulgadas cubicas

SP Separador

SP bbl Barriles de líquido en el separador

ST Tanque de almacenamiento

STB Barriles de petróleo en el tanque de almacenamiento (barriles en el tanque de almacenamiento) reportados a condiciones estándar, además usados para barriles de agua a condiciones estándar

vs Versus

VEQ Equivalente de volumen de gas del líquido en el tanque de almacenamiento, un parámetro en las ecuaciones de gravedad especifica del gas del reservorio

wt Peso

BORRADOR

XXIII

PREFACIO Sustanciales progreso en nuestro conocimiento sobre las propiedades de los fluidos

del reservorio han ocurrido durante los últimos quince años. Las correlaciones han

sido mejoradas. Observaciones del comportamiento de la producción y resultados de

laboratorio han llevado la delantera para mejores reglas de dedo para su uso en la

determinación de los tipos de fluido en el reservorio. Correlaciones gráficas y tabulares

han sido reducidas a su forma de ecuación para su uso en computadoras.

Procedimiento de laboratorio para analizar los fluidos del reservorio han sido

estandarizados. Y técnicas para convertir los resultados del laboratorio en útiles

propiedades de fluidos han sido clarificadas. Nueva información con respecto a la

naturaleza química del petróleo está disponible. Desarrollo en el uso de ecuaciones de

estado para calcular el equilibrio gas-líquido ha sido rápido.

Estas razones una reescritura de la primera edición ha sido necesaria. El texto original

y las figuras han sido usadas donde era posible; sin embargo, alguna nueva

disposición se ha hecho basada en la experiencia del uso del libro en la clase.

Revisiones y adiciones para actualizar el libro fueron hechas conforme ha sido

necesario.

Cada correlación presentada en este libro ha sido comparada con otras correlaciones

de la misma propiedad y con datos experimentales disponibles; solo las correlaciones

más precisas son presentadas. Verificaciones de las mejores correlaciones fueron

basadas en un largo set de datos de propiedades de los fluidos provistos por la

universidad de Texas A&M y los laboratorios Core, Inc. Características esenciales de

la identificación de los datos (tales como la compañía, el lugar geográfico o geológico,

fecha de muestreo y análisis, nombre del pozo o el campo) fueron removidos; sin

embargo, los datos representan la mayoría de las áreas del mundo libre en el cual la

exploración y producción del petróleo han sido activas durante 1980-1986. Debo un

reconocimiento a Phil Moses de los laboratorios Core por proveer estos datos.

Se ha intentado que mayoría de los capítulos del libro sean completos, esto es, al

proveer toda la información requerida, ecuaciones y correlaciones disponibles para un

tópico en particular. Sin embargo, los capítulos 4, 14 y 15 no cumplen este patrón.

El capítulo 4 no muestra todas las ecuaciones de estado disponibles. Solamente

muestra la historia de arte de desarrollar ecuaciones de estado. El capítulo 14 es una

simple introducción a las correlaciones con factor K. El capítulo 15 solo introduce los

cálculos sobre el tópico de ecuaciones de estado y equilibrio gas líquido. La teoría por

debajo de los cálculos es ilustrada; sin embargo, ninguna de las dificultades de

aplicación para petróleos ni ninguna técnica sofisticada es mostrada.

Este libro fue escrito para su uso en clase en una clase de 3 semestres para cuasi

graduados o a nivel junior del currículo de la carrera de ingeniería petrolera. Debido a

que el objetivo secundario ha sido proveer un libro de referencia para practicantes de

la ingeniería petrolera, algunos de estos materiales son innecesarios para preparar a

los estudiantes.

BORRADOR

XXIV

El capítulo 1 puede ser omitido enteramente para aquellos con un buen entendimiento

de la química orgánica. Sin embargo, yo recomiendo que debe ser cubierto en el curso

de ingeniería petrolera porque enfatiza aquellas partes de los cursos de química

llevados con anterioridad los cuales son importantes en la ingeniería petrolera.

Capítulos 4 y 15 no deben ser estudiados en un primer curso de propiedades de los

fluidos. Ellos proveen una introducción dentro del cálculo del equilibrio gas-líquido y

ecuaciones de estado. Normalmente, tales cálculos no son requeridos para

estudiantes no graduados o la mayoría de los ingenieros petroleros. El capítulo 7

contiene material no usualmente necesario para un estudiante. La mayoría del capítulo

14 puede ser también omitido, dejándolo como material de referencia para aquellos

interesados en las correlaciones con factores K.

El texto debe ser presentado en el orden que los capítulos han sido numerados. Los

capítulos 1 al 3 dan materiales de referencia, mayormente cubiertos en los cursos de

física y química previos, que están por debajo de los demás capítulos. El capítulo 2

debe preceder al capítulo 5. El capítulo 3 debe preceder al capítulo 4. El capítulo 5 es

el más importante del texto: establece las etapas de todo lo que le sigue. Los capítulos

6 y 7 son dos capítulos secuenciales de las propiedades del gas que deben ser

antecedidos por los capítulos 3 y 5. Los capítulos 8 al 11 son una secuencia de cuatro

capítulos de cálculos de equilibrio gas líquido que usa material de los capítulos 2 al 8,

10 y 11. Capítulos 16 y 17 son una secuencia de dos capítulos de las propiedades del

agua que más o menos son únicos. Sin embargo, las definiciones en estos capítulos

serán más fácilmente entendidas luego del estudio de los capítulos previos.

El libro puede ser cubierto en un semestre con el siguiente programa: capítulo 1: 4

días de clases; capítulo 2: 4 días; capítulo 3 (omitiendo la teoría cinética): 3 días;

capítulo 5: 2 días; capítulo 6 (omitiendo el valor del calor y el efecto Joule-Thomson): 2

días; capítulo 8: 2 días; capítulo 9: 2 días; capítulo 10: 3 días; capítulo 11: 6 días;

capítulo 12 (omitiendo la vaporización diferencial): 1 día; capítulo 13: 3 días; capítulo

14 (solo presión de convergencia): 1 día; capítulo 16: 2 días; capítulo 17: 2 días. Este

programa deja varias reuniones de clase para el examen u otros tópicos que desee el

instructor.

Una breve discusión de las definiciones usadas en el libro es necesaria.

Fluido se refiere ya sea a gas o a líquido o a ambos. La palabra no tiene otra

connotación especial.

La palabra petróleo se refiere ya sea a líquido o a gas en el sentido de que es el

hidrocarburo que predomina y ocurre naturalmente.

La palabra líquido es usada a través del libro para indicar un petróleo líquido. Significa

petróleo, petróleo crudo, condensado, destilado, según sea el caso. Los varios

cuerpos que supervisan la industria petrolera han tratado de atribuir definiciones

especiales a estos términos. Estas definiciones a menudo son contradictorias y

adicionan confusión al estudio de las propiedades de los fluidos del reservorio.

La palabra petróleo es usada en frases como relación gas-petróleo, tanque de

almacenamiento de petróleo, factor volumétrico de formación del petróleo y

compresibilidad del petróleo debido a su uso común en la industria. En este contexto,

BORRADOR

XXV

petróleo simplemente se refiere al petróleo líquido el cual puede ser el resultado de la

producción de petróleo líquido o condensación de la producción de un reservorio de

gas.

En algunas instancias las frases líquido superficial o tanque de almacenamiento de

líquido son usadas para significar un petróleo líquido que acaba en el tanque de

almacenamiento.

La palabra agua, es usada para agua líquida. En el campo petrolero, el agua es

usualmente muy salina y quizá debería ser llamada salmuera.

Yo uso la palabra gas a través del libro para indicar el gas de petróleo. El uso limitado

ocurre con el término gas natural, significando “un gas de ocurrencia natural que es

predominantemente hidrocarburo”. Otras terminologías (tales como gas de pozo, gas

de petróleo, gas de cabeza de la cañería) se le han dado significados especiales a

través de definiciones regulatorias o contractuales. Frases vagas como estas no son

usadas en este libro. Expresiones como aire o vapor de agua son usadas para otros

gases que no son los gases del petróleo.

Brenda G. Bridges edito este libro. Su competencia, profesionalismo, diligencia y

actitud positiva hicieron que trabajar con ella sea un placer. Ella hizo una importante

contribución para la terminación de esta enorme tarea.

Estoy en deuda con el Grupo Darnell, Forth Worth, por sus excelentes borradores; a

Charles Aufil de la universidad A&M de Texas por su cuidadosa edición de los

borradores del libro; con los empleados de Cawley, Gillespie & Asociados.

(Especialmente Bob Ravnaas y Richard Alexander) por su asistencia y coraje; a Betty

Campbell (ahora tú has visto todo – un Campbel mencionado en un libro escrito por

McIain! No creerán esto en Rocky Glencoe!) Por su paciencia en traducir mi

abominable letra; a Jim Murtha del colegio Marrietta por tomarse el tiempo de escribir

una larga y muy útil critica de la primera edición; Phil Moses, retirado de los

laboratorios Core, por las muchas horas de discusiones amigables y argumentos

encendidos de los cuales yo aprendí mucho; y a John Lee de la universidad A&M de

Texas, John Edd Parker de la Universidad Estatal de Mississippi y Richard Strickland y

Aarón Cawley de Cawley, Gillespie & Asociados, por su amistad continua y coraje.

Toda nuestra industria está endeudada con el anfitrión ingenieros científicos que han

provisto, a través de literatura de ingeniería petrolera, los datos y correlaciones que

son presentados en este libro.

Forth Worth, Texas

William D. McCain, Jr. 1990 BORRADOR

1

1. Componentes de los fluidos

que están normalmente en el

petróleo Los depósitos naturales de petróleo los cuales son encontrados por los ingenieros

petroleros son compuestos por químicos orgánicos. Cuando la mezcla química está

compuesta por molecular pequeñas, es gas a presiones y temperaturas normales. La

Tabla 1 - 1 da la composición típica que ocurre en los gases hidrocarburos.

Cuando la mezcla contiene moléculas más grandes, a presión y temperatura normal

es un líquido. Un petróleo crudo típico contiene miles de diferentes compuestos

químicos y el tratar de separarlos en diferentes químicos es impráctico. Por lo tanto, el

petróleo crudo es normalmente separado en fracciones de crudo de acuerdo al rango

de su punto de ebullición de los compuestos incluidos en cada fracción. La Tabla 1 - 2

da una lista de las fracciones típicas en las que se separa al petróleo crudo.

Los petróleos crudos son clasificados químicamente de acuerdo a las estructuras de

las moléculas grandes en la mezcla. Métodos de clasificación usan una combinación

de las palabras parafínico, nafténico, aromático o asfaltico. Por ejemplo, el petróleo

crudo que contiene una predominancia de moléculas parafínicas contendrá lubricantes

muy finos de la fracción de gas y cera parafínica del residuo. Por otro lado, si las

moléculas más grandes son aromáticos y asfalticos, los componentes más pesados

del petróleo crudo son útiles para el alquitrán, componentes de techado, pavimento

asfaltico y otra aplicaciones parecidas.

Los líquidos obtenidos directamente de diferentes reservorios de petróleo tienen

características ampliamente diferentes. Algunos son negros, pesados y duros, como la

brea, mientras otros con cafés o casi limpios con baja viscosidad y baja gravedad

específica. Sin embargo casi todos los petróleos tienen análisis elementales con los

límites dados en la Tabla 1 - 3.

Tabla 1 - 1 Componentes típicos de los gases de petróleo

Gas natural

Hidrocarburos

Metano 70 – 98%

Etano 1 – 10%

Propano Trazas – 5%

Butanos Trazas – 2%

Pentanos Trazas – 1 %

Hexanos Trazas – ½ %

Heptanos + Trazas – ½ %

No hidrocarburos

Nitrógeno Trazas – 15 %

BORRADOR

2

Dióxido de carbono* Trazas – 5 %

Sulfuro de hidrogeno* Trazas – 3 %

Helio Hasta 5%, usualmente trazas o ninguna

*ocasionalmente los gases naturales son encontrados predominantemente con dióxido de carbono o sulfuro de

hidrogeno

Gas de un pozo que también ha producido petróleo líquido

Hidrocarburos

Metano 45 – 92%

Etano 4 – 21%

Propano 1 – 15%

Butanos ½ – 7%

Pentanos Trazas – 3 %

Hexanos Trazas – 2 %

Heptanos + Trazas – 1½ %

No hidrocarburos

Nitrógeno Trazas – hasta un 10 %

Dióxido de carbono Trazas – 4 %

Sulfuro de hidrogeno Nada - Trazas – 6 %

Helio Nada

Tabla 1 - 2 Fracciones típicas del crudo

Fracción del crudo

Punto de ebullición, ºF (punto de

derretimiento)

Composición química

aproximada

usos

Gas hidrocarburo

1 2C C Gas combustible

Hasta 100 3 6C C Gas licuado, solvente

Gasolina 100 – 350 5 10C C Combustible de motor,

solvente Keroseno 350 – 450

11 12C C Combustible de aviones, material de craqueo

Gasóleo liviano 450 – 580 13 17C C Diesel, combustible para

hornos Gasóleo pesado

580 – 750 18 25C C Aceite lubricante,

combustible para barcos

Lubricantes y ceras

750-950 (100) 26 36C C Aceite lubricante, cera

parafínica, gel de petróleo

Residuos 950+(200+) 36C Breas, componentes de

techado, pavimento asfaltico, coque, preservadores de madera

BORRADOR

3

Tabla 1 - 3 Análisis elemental del petróleo crudo

Elemento Porcentaje en peso

Carbono 84 – 87 Hidrogeno 11 – 14 Azufre 0.06 – 2.0 Nitrógeno 0.1 – 2.0 Oxígeno 0.1 – 2.0

Está consistencia no es tan exacta: recuerde que las moléculas de estos químicos

orgánicos consisten de varias estructuras construidas primariamente de los grupos de

2CH .

Desde que el ingeniero petrolero gasta su vida profesional trabajando con mezclas de

químicos orgánicos, necesita conocer los diferentes tipos de compuestos orgánicos

que son hechos de mezclas. Debe conocer sus nomenclaturas, las relaciones que

tienen unas con otras, los grados de volatilidad y sus grados de reactividad. Por lo

tanto, nuestro estudio de las propiedades de los fluidos del reservorio comienza con

una revisión de los comportamientos de los compuestos que conforman estas mezclas

de petróleo.

Química orgánica

La química orgánica es la química de los compuestos de carbono. El engañoso

nombre orgánico es una reliquia de los días donde los compuestos fueron divididos en

dos clases, inorgánicos y orgánicos, dependiendo de su origen. Los compuestos

inorgánicos son obtenidos de los minerales. Los compuestos orgánicos obtenidos de

material producido por organismos vivos.

Sin embargo, los compuestos orgánicos ahora pueden ser producidos en el

laboratorio, entonces está definición ha perdido su significancia. No obstante, la

definición de orgánico todavía es pertinente debido a que la química de los

compuestos de carbón es más importante para la vida diaria que de cualquier otro

elemento.

Los compuestos derivados de fuentes orgánicas tienen una cosa en común: todos

contienen el elemento carbono. Hoy en día la mayoría de los compuestos de carbono

son sintetizados de otros compuestos orgánicos, aunque hacer compuestos orgánicos

de sustancias inorgánicas como los carbonatos o cianuros es posible.

Dos de las mayores fuentes de material orgánico de las cuales los compuestos

orgánicos pueden obtenerse son el petróleo y el carbón mineral. Ambas fuentes son

orgánicas en el sentido antiguo debido a que ambas son producto de la

descomposición de plantas y animales. Los compuestos orgánicos usualmente son

sintetizados de otros compuestos orgánicos tan importantes para la civilización de hoy

en día.

Curiosamente una rama entera de la química está centrada en un solo elemento. La

principal razón es la fuerza de las uniones carbono-carbono. Largas cadenas de

átomos de carbono, unos unidos con otros, son posibles.

BORRADOR

4

Existen otros elementos (como el boro, silicio y fosforo) que pueden formar cadenas

de átomos unidas unas con otras. El carbono es único debido a que no solo forma

fuertes uniones carbono-carbono sino que también estas uniones permanecen fuertes

cuando los átomos de carbono se unen con otros elementos. Los compuestos de

carbono son estables y relativamente no reactivos químicamente. Esto no se cumple

con los compuestos de otras cadenas de átomos formadas por otros compuestos.

Teoría estructural

Las bases de la química orgánica es la teoría estructural. Esta es concerniente con la

forma en que los átomos son combinados para formar moléculas. Los cientos de miles

de compuestos orgánicos individuales han sido ordenados en un sistema basado en la

estructura de las moléculas de los compuestos.

Moléculas que tienen una estructura similar exhiben propiedades físicas y químicas

similares. Así los químicos orgánicos pueden ser agrupados en familias llamadas

series homologas en las cuales las estructuras moleculares y consecuentemente las

propiedades físicas y químicas son similares.

Unión química

Antes de considerar la estructura de las moléculas, debemos comenzar la discusión

sobre las uniones químicas, las fuerzas que mantienen los átomos unidos en las

moléculas. Hay dos tipo de uniones químicas, la unión iónica y la unión covalente.

Recuerda que cada átomo consiste de un núcleo cargado positivamente rodeado por

electrones cargados negativamente organizados en capas concéntricas. Existe un

máximo número de electrones que pueden ser acomodados en cada capa: dos en la

primera capa, ocho en la segunda capa, ocho o dieciocho en la tercera capa, etc.

La mayor estabilidad es alcanzada cuando la capa externa está completa, como en el

caso del helio, que tiene dos electrones en su primera capa. El helio es inerte.

Ambas uniones, iónicas y covalentes, surgen de la tendencia de los átomos de buscar

su configuración estable de electrones.

Figura 1 - 1-1 Unión Iónica del fluoruro de litio

BORRADOR

5

La unión iónica

La unión iónica resulta de la transferencia de electrones de un átomo hacia otro. Por

ejemplo, considere el compuesto fluoruro de litio. El átomo de litio tiene dos electrones

en su capa interna y un electrón en su capa externa. La pérdida de un electrón de la

capa externa dejara al átomo de litio con solo su capa interna con su máximo de dos

electrones.

El átomo de flúor tiene dos electrones en su capa interna con su máximo de dos

electrones y siete electrones en su capa externa, Figura 1 - 1-1.

El fluoruro de litio es formado por la transferencia de un electrón del litio al flúor. Esto

resulta en que cada ion tenga su capa externa completa, y por lo tanto, le da a cada

ion una configuración estable de electrones. La transferencia de estos electrones deja

al ion litio con una carga positiva y le da al flúor una carga negativa. La atracción

electrostática entre las cargas opuestas de los iones los mantiene unidos. Esta

conexión entre los iones es llamado unión iónica.

La unión covalente

La unión covalente resulta cuando los átomos comparten electrones, como en la

formación de la molécula de hidrogeno. Cada átomo de hidrogeno tiene un solo

electrón; así, al compartir un par de electrones, dos átomos de hidrogeno pueden

completar sus capas de dos. Asimismo, dos átomos de flúor, cada uno con siete

electrones en su capa externa, pueden completar sus capas externas al compartir un

par de electrones. Como con la unión iónica, la fuerza de unión de la unión covalente

es debido a la atracción electrostática. Sin embargo, en la unión covalente, la atracción

es entre los electrones y el núcleo de los átomos que forman el compuesto.

De una forma similar podemos visualizar la unión covalente del agua y el metano.

Uniones en compuestos orgánicos

Las uniones covalentes son las uniones que nos conciernen en nuestro estudio de la

química orgánica. La piedra angular de la estructura de la química orgánica es la unión

tetravalente del átomo de carbono. Con algunas excepciones, los compuestos de

carbono. Independientemente de que la combinación sea entre dos o más átomos de

carbono o entre el carbono y otro elemento.

La unión resulta del compartir dos electrones, como se ilustra por las uniones carbono-

hidrogeno y las uniones carbono-carbono en los compuestos como el etano, este es

llamado unión simple. El átomo de carbono es capaz de formar cuatro uniones

simples.

BORRADOR

6

Sin embargo existen compuestos como el etileno en los cuales dos electrones de cada

átomo de carbono son mutuamente compartidos, por lo tanto producen una unión

consistente de cuatro electrones. Está unión es llamada unión doble.

Además, en algunos compuestos (como el acetileno) tres electrones de cada carbono

son mutuamente compartidos, produciendo así una unión de seis electrones llamada

unión triple.

En el caso de la simple, doble o triple unión, cada átomo de carbono acaba con ocho

electrones en su capa exterior.

Además, un átomo de carbono puede compartir dos o tres electrones con átomos que

nos sean carbono. Ejemplos de esto son las uniones dobles en el dióxido de carbono y

la unión triple en el cianuro de hidrogeno.

Normalmente una simple line recta conectando los símbolos atómicos que representan

una unión simple; dos líneas una unión doble y tres líneas representan una unión

triple. Las formulas estructurales de algunos compuestos de carbono comunes son

mostradas abajo.

Algunas veces formulas condensadas son usadas en las cuales las uniones no son

mostradas.

2Dióxido de Carbono

CO Cianuro de hidrogeno

HCH MetanoCH

2 2Etileno

CH CH Acetileno CHCH

5Acido Acético

CH COOH

Por conveniencia, algunas veces los átomos en una larga cadena son agrupados.

BORRADOR

7

Otro sistema muestra todas las uniones excepto las uniones de hidrogeno, las cuales

se sobre entienden que son simples.

Angulo de las uniones

Normalmente, el átomo de carbono forma sus cuatros uniones así los cuatro átomos

adjuntos yacen en las orillas de un tetraedro regular. Los ángulos entre las uniones

son los mismos que los ángulos del tetraedro 109.5º. Así 109.5º es apreciado como la

valencia normal del ángulo de carbón, como se muestre en la figura 1 – 2. Los átomos

resisten las fuerzas que alteran su ángulo de valencia de su valor normal.

Modelos de pelota y vara de sustancias orgánicas proveyendo un medio conveniente

para estudiar las estructuras de varios componentes orgánicos. Pelotas con agujeros

representan los átomos y las varas representan las uniones covalentes. La figura 1 – 3

muestra dos configuraciones de etano en la cual las bolas oscuras representan el

carbono y las bolas claras representan el hidrogeno. Todos los ángulos de unión son

normales, 109.5º.

Figura 1 - 1-2 Modelo de bolas y varas del metano

BORRADOR

8

Figura 1 - 1-3 Dos configuraciones rotacionales del etano

Figura 1 - 1-4 Modelos de bola y vara para hidrocarburos con enlaces doblados.

BORRADOR

9

Figura 1 - 1-5 Modelos de componentes orgánicos

Los modelos actuales aparentan tener esencialmente una rotación libre sobre la unión

que une los átomos de carbono entonces en los modelos de bolas y varas uno debe

permitir a las varas rotar libremente en los agujeros.

Las configuraciones mostradas en Figura 1 - 1-3 son dos de las configuraciones más

extremas que uno puede esperar de la molécula del etano. La configuración

escalonada es de alguna forma más estable que la configuración eclipsada debido a

que los átomos en una configuración escalonada están lo más lejos que les es posible

unos de otros y así tener la menor interacción.

Uniones dobles y triples son representadas con uniones dobladas formadas con

acopladores flexibles. Sustancias que requieren modelos con uniones dobladas

normalmente se encuentra que son mucho menos estables y, por lo tanto,

químicamente más reactivas que moléculas que pueden ser construidas con varas

rectas. La Figura 1 - 1-4 muestra la unión doble del etileno, la unión triple del acetileno

y las uniones distorsionadas del ciclo-propano.

Moléculas actuales de ninguna manera se ven como los modelos de bolas y varas. La

tenencia común de electrones en las uniones covalentes requiere que los átomos de la

molécula se traslapen como es mostrado en la Figura 1 - 1-5. Sin embargo los

modelos de bolas y varas saciaran nuestro entendimiento de la estructura de la

química orgánica.

Nominación de los químicos orgánicos

Uno de los problemas que enfrentamos en nuestro estudio de la química orgánica es

el aprender el nombre de las diferentes estructuras. La abundancia y complejidad de

las variedades de los compuestos orgánicos hacen este problema particularmente

significativo. Idealmente, cada sustancia orgánica debe tener un nombre

completamente descriptivo y sistemático que represente a su estructura. Una

nomenclatura sistemática está en uso y nosotros la estudiaremos.

Desafortunadamente, el sistema requiere que en vez de largos grupos de palabras y

símbolos, haciendo a los nombres extremadamente difíciles de manejar para su uso

en conversaciones.

Por lo tanto, el nombre sistemático del componente 9-(2, 6, 6-trimetil-1-ciclohexenil)-3,

7-dimetil-2, 4, 6, 8-nonatetraen-1-ol anonadaría una conversación con seguridad, sin

BORRADOR

10

embargo es perfectamente descriptiva. Este compuesto es usualmente llamado

vitamina A.

Basaremos nuestro estudio en el sistema desarrollado por la Unión Internacional de

Pura y Química Aplicada. El sistema es llamado reglas IUPAC. Existen otros sistemas

semi-sistemáticos de nomenclatura y muchos compuestos son conocidos por sus

nombres triviales no sistemáticos o triviales. Estos nombres serán dados

conjuntamente con los nombres IUPAC cuando tales nombres triviales sean

comúnmente usados.

Hidrocarburos

Primero consideraremos estos componentes orgánicos que pueden contener solo dos

elementos, hidrogeno y carbono. Estos compuestos son conocidos como

hidrocarburos. Luego consideraremos los compuestos orgánicos que contienen

oxígeno, nitrógeno o átomos de azufre adicionalmente al hidrogeno y al carbono.

Sobre la base de su estructura, los hidrocarburos son divididos en dos grandes clases,

alifáticos y aromáticos. Los hidrocarburos alifáticos luego son divididos en familias:

alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos cíclicos. La Figura 1- 1-6 muestra las

relaciones entre algunas de estas clases y familias de hidrocarburos.

Series homologas

Una familia de químicos orgánicos es conocida como series homologas. Los miembros

de una serie homologa tienen estructuras moleculares similares y tienen propiedades

físicas escalonadas que pueden diferir unas de otras de acuerdo a número de átomos

de carbono en su estructura. Si la serie homologa para la cual un componente

particular es conocido, el químico y las propiedades físicas del compuesto pueden ser

inferidos por la correspondencia con las propiedades de los otros compuestos de la

serie. Por lo tanto, estudiaremos la química orgánica al estudiar las varias familias de

los químicos orgánicos.

Figura 1- 1-6 Clases y series homólogas de los hidrocarburos

Hidrocarburos

Alifáticos

Alcanos Alquenos Alquinos Alifaticos ciclicos

Aromaticos BORRADOR

11

Alcanos

Las series homologas de los hidrocarburos desinados por el nombre alcanos tienen

una formula general 2 2n nC H . Los alcanos son nombrados a través de la combinación

de un prefijo (el cual denota el número de átomos de carbono) y el sufijo –ano (el cual

clasifica al compuesto como un alcano). Los compuestos de esta familia a veces son

llamados hidrocarburos saturados debido a que los átomos de carbono tienen

adheridos con la mayor cantidad de átomos de hidrógeno como les es posible,

entonces, los carbonos están saturados con hidrogeno. Estos alcanos también son

llamados hidrocarburos parafínicos. Los ingenieros petroleros llaman a estos

parafinas. La Tabla 1 - 4 da algunos ejemplos.

Tabla 1 - 4 Alcanos (CnH2n+2)

Numero de átomos de carbono, n Nombre

1 Metano 2 Etano 3 Propano 4 Butano 5 Pentano 6 Hexano 7 Heptano 8 Octano 9 Nonano

10 Decano 20 Eicosano 30 Triacontano

Las formulas estructurales del metano, etano y propano son dadas abajo.

Note que los átomos de carbono forman cadenas continuas. A medida de que el

número de átomos de carbono en el compuesto incrementa, los átomos pueden ser

conectados en cadenas continuas o pueden ser conectados como ramas con más de

dos átomos de carbono conectados conjuntamente. Por lo tanto, el butano puede

tomar cualquiera de las estructuras dadas abajo.

BORRADOR

12

Estas diferentes configuraciones son conocidas como isómeros estructurales o

simplemente isómeros.

La cadena continua de hidrocarburos es conocida como hidrocarburos normales, y el

prefijo n - es usualmente adjunto al nombre. La cadena bifurcada de hidrocarburos

debe tener el prefijo iso – adjunta al nombre. Usualmente el prefijo iso- es reservado

para sustancias con dos grupos metiles adjuntos a los átomos de carbono al final o de

otra forma en el tronco de la cadena. En una cadena recta, cada átomo de carbono

está conectado a no amas de otros dos átomos de carbono. El prefijo neo- denota tres

grupos metiles en un átomo de carbono al final de una cadena. Por ejemplo, los

isómeros del pentano son mostrados abajo.

Obviamente, el sistema de adherir prefijos al nombre del compuesto para denotar la

configuración estructural se convertirá en incomoda a medida que el número de

diferentes configuraciones estructurales incremente. Considere el decano, que tiene

75 isómeros. Una nomenclatura más sistemática es deseable.

El sistema IUPAC está basado sobre los grupos alquil sustituidos sobre las cadenas

principales de los átomos de carbono. Un grupo alquil es simplemente un alcano con

un átomo de hidrogeno que le falta. Por lo tanto, el grupo metil 3CH se ve como el

metano menos un átomo de hidrogeno. Los grupos alquilo son nombrados al usar los

prefijos correspondientes al número de átomos de carbono y el sufijo –il.

BORRADOR

13

Nomenclatura de los Alcanos

El sistema de nomenclatura comúnmente es usado como las reglas IUPAC. Estas

reglas son como sigue a continuación:

1. La cadena más larga de átomos de carbono es tomada como la estructura

sobre las cual los varios grupos alquil son considerados para ser sustituidos.

Así, el próximo hidrocarburo es el pentano.

2. La cadena principal de hidrocarburo entonces es numerada comenzando

desde el fin y los grupos que la sustituyen son números asignados

correspondiendo a su posición en la cadena. La dirección de la numeración en

elegida para dar la menor suma para los números del costado de la cadena

sustituyente. Así, el hidrocarburo que se muestra abajo es el 2, 3-

dimetilpentano.

3. Donde hayan dos sustitutos idénticos en la misma posición, como en el

componente mostrado abajo, los numero son dados para los dos.

4. A los grupos sustituyentes de cadenas bifurcadas les son dados nombres

apropiados por la simple extensión del sistema usado para cadenas bifurcadas

de hidrocarburos. La cadena más larga del sustituyente es numerado

comenzando con el carbón adjunto directamente a la cadena de hidrocarburo

principal.

5. Cuando dos o más sustituyentes diferentes son presentados, el método común

es el de listar los sustituyentes en orden alfabético. Sin embargo, los

sustituyentes son listados en orden de que la complejidad aumente.

BORRADOR

14

Tabla 1- 5 Propiedades físicas de los n-alcanos, CH3(CH2)n-2CH3

n Nombre Punto de

ebullición, ºF Punto de fusión, ºF

Gravedad específica, 60º/60º

1 Metano -258.7 -296.4 2 Etano -127.5 -297.0 3 Propano -43.7 -305.7 0.507 4 Butano 31.1 -217.1 0.584 5 Pentano 96.9 -201.5 0.631 6 Hexano 155.7 -139.6 0.664 7 Heptano 209.2 -131.1 0.688 8 Octano 258.2 -70.2 0.707 9 Nonano 303.5 -64.3 0.722 10 Decano 345.5 -21.4 0.734 11 Undecano 384.6 -15 0.740 12 Dodecano 421.3 14 0.749 15 Pentadecano 519.1 50 0.769 20 Eicosano 648.9 99 30 Triacontano 835.5 151

Propiedades físicas y químicas de los alcanos

Las series de cadenas rectas dadas en la Tabla 1- 5 muestran una remarcable

graduación de propiedades físicas. Como el tamaño molecular incrementa, cada grupo

adicional CH2 contribuye con un incremento mediano del punto de ebullición y la

gravedad especifica. El grupo adicional de grupos CH2 tambien causa un incremento

en el punto de fusión pero los incrementos no son tan constantes como los puntos de

ebullición. Vea que los puntos de ebullición del metano y el etano no siguen este

patrón de los otros puntos de ebullición listados en la Tabla 1- 5. Las moléculas más

pequeñas de una serie homologa a menudo tienen propiedades físicas que no se

ajustan a este patrón mostrado por las moléculas más grandes.

Los primeros cuadro alquenos son gases a presiones y temperaturas normales. Como

un resultado del decremento de la volatilidad mientras incrementa el número de

átomos de carbono, los 13 siguientes, del pentano hasta el heptadecano, son líquidos.

Los alcanos que contienen 18 o más átomos de carbono son sólidos a presiones y

temperaturas normales. La Figura 1 -1-7 muestra los cambios en el punto de

ebullición, gravedad específica y puntos de fusión para los alcanos de cadena recta.

Los puntos de ebullición y fusión de los alcanos son medianamente bajos,

particularmente en el caso de los pequeños miembros de la familia. Esto es porque las

moléculas son altamente simétricas, y por lo tanto la atracción entre molécula,

conocida como fuerzas intermoleculares, son mucho más pequeñas. Como los

procesos de ebullición y fusión vencen estas fuerzas intermoleculares, los puntos de

fusión y ebullición de los alcanos son bajos. Los puntos de ebullición y fusión son

mayores para moléculas grandes debido a que las fuerzas intermoleculares son

mayores entre las moléculas.

El incremento en los puntos de fusión no es tan regular como los puntos de ebullición

debido a las fuerzas intermoleculares en un sólido no solo dependen del tamaño de las

moléculas sino sobre que tan bien las moléculas caben en la cuadricula del cristal.

BORRADOR

15

Las cadenas bifurcadas de los alcanos no exhiben la misma graduación suave de sus

propiedades físicas como los alcanos de cadena recta.

Figura 1 -1-7 Dependencia de algunas propiedades físicas sobre el número de átomos de carbono para una cadena recta de alcanos (datos de la tabla A - 1)

Diferencias en la estructura causan diferencias en las fuerzas intermoleculares. Así

hay diferencias en los puntos de ebullición y fusión entre los isómeros de un alcano en

particular. La Tabla 1 - 6 muestra las propiedades físicas de los isómeros del hexano.

Un incremento en la bifurcación causa un decremento en la atracción intermolecular,

con el resultado de puntos de ebullición más bajos.

Tabla 1 - 6 Algunas propiedades físicas de los isómeros del hexano

Isómero Estructura Punto de

ebullición, ºF Punto de fusión, ºF

Gravedad especifica

60º/60º

n-Hexano 155.7 -139.6 0.664

3-Metilpentano

145.9 -180.4 0.669

2-Metilpentano (Isohexano)

140.5 -244.6 0.658

2, 3-Dimetilbutano

136.4 -199.4 0.665

2, 2-Dimetilbutano (neohexano)

121.5 -147.7 0.654

BORRADOR

16

Incrementos en la bifurcación cambian la forma en que las moléculas caben en la

cuadricula cristalina del sólido, causando que los puntos de fusión de los isómeros

difieran.

Químicamente los alcanos son particularmente inertes. El nombre parafina literalmente

quiere decir afinidad no suficiente. Las fuertes uniones entre el carbono y el hidrogeno

y entre el carbono y el carbono son atacados solo por reactivos muy fuertes a

temperaturas ordinarias.

Todos los hidrocarburos son atacados por el oxígeno a temperaturas elevadas. Si

suficiente oxigeno está presente, la combustión completa a dióxido de carbono y agua

ocurre. Esto es particularmente importante desde que los alcanos son los mayores

constituyentes del gas natural y el uso principal del gas natural es la combustión.

Alquenos

Las series homologas conocidas como los alquenos son llamados tambien

hidrocarburos insaturados u olefinas. La fórmula general para la familia de los

alquenos es 2n nC H . La característica distintiva de la estructura del alqueno es la unión

doble carbono-carbono que, como discutimos previamente, es una unión de cuatro

electrones formada al compartir dos electrones de cada dos átomos de carbono.

Nomenclatura de los Alquenos

Los nombres de los alquenos son formados con los mismos prefijos usados para

nombrar a los alcanos. Estos prefijos corresponden al número de átomos de carbono

en el compuesto. El sufijo es –eno, que indica que el compuesto pertenece a la familia

de los alquenos. Así el miembro más simple de la familia de los alquenos, 2 4C H ,

deberá ser llamado eteno. Eteno es comúnmente conocido como etileno, Figura 1 -

1-8. el siguiente miembro de la familia, propeno, comúnmente llamado propileno.

Figura 1 - 1-8 Modelo de bola y vara del etileno

Las reglas de la IUPAC para nombrar a los alquenos son las siguientes:

1. Seleccione como la estructura principal la cadena continua más larga que

contenga uniones carbono-carbono dobles; luego considere el compuesto que

debe ser derivado de su estructura por desplazamiento de átomos de

hidrogeno por varios grupos alquil.

BORRADOR

17

2. Indique con un número la posición de la unión doble en la cadena principal.

Designe la posición de la unión doble con la numero de la primera unión doble

encontrada cuando se numera desde el fin de la cadena más cercano a la

unión doble. Así, el siguiente compuesto es 1-buteno en vez de 3-buteno.

3. Indique la posición de los grupos alquil adjuntos a la cadena principal por el

número de átomos de carbonos al cual el grupo alquil está adjunto.

Considere los alquenos que pueden contener 4 carbonos. Existen muchas

posibilidades. La unión doble puede ser localizada entre el primer y segundo

carbono desde el final de la cadena o entre el segundo y tercer carbono. La

posición de la unión doble y la bifurcación se combinan para dar las tres

estructuras mostradas abajo.

Sin embargo, hay verdaderamente cuatro alquenos de la formula 4 8C H . Sus

propiedades físicas son mostradas en la Tabla 1 - 7.

Tabla 1 - 7 Algunas propiedades físicas de los butilenos

Nombre

Punto de ebullición,

ºF Punto de fusión, ºF

Gravedad especifica

60º/60º

Índice refractario

(-12.7º)

Isobuteno 19.6 -220.6 0.600 1.3727 1-buteno 20.8 -301.6 0.601 1.3711 Trans-2-buteno 33.6 -158.0 0.610 1.3778 Cis-2-buteno 38.7 -218.1 0.627 1.3868

BORRADOR

18

Hemos, desarrollado un entendimiento de isomerismo estructural, la cadena recta

y la cadena bifurcada. Hemos visto una isomerización estructural conectada con la

ubicación de la doble unión. Debemos reconocer otro tipo de isomerismo – el

isomerismo geométrico, tambien llamado diastereomerismo o simplemente

isomerismo cis-trans.

Considere las dos configuraciones de la 2-buteno en la Figura 1 - 1-9 y recuerde

que la unión doble carbono-carbono no permite la rotación de los átomos de

carbono. Fíjese que en un caso los dos grupos metiles están localizados en el

mismo lado de la estructura básica mientras en el otro caso el grupo metil está

localizado sobre lados opuestos de la estructura. Estas dos moléculas exhiben

isomerización geométrica por la forma en la que los átomos están orientados en el

espacio, aunque sin embargo ellos están por igual con respecto a las conexiones

de los átomos. Estos dos compuestos son conocidos como estereoisomeros. La

configuración es diferenciada en sus nombres por los prefijos cis- y trans-.

El prefijo cis- en Latín significa en este lado, y trans es el Latín para al otro lado.

Figura 1 - 1-9 Modelos de vara y bolas de cis- y trans-2-buteno.

Propiedades físicas y químicas de los alquenos

Las propiedades físicas de los alquenos son muy parecidas a las propiedades físicas

de los alcanos. La Tabla 1 - 8 da comparaciones de los puntos de fusión, puntos de

ebullición y gravedades específicas de los alquenos simples. Así como los alcanos,

estas propiedades físicas incrementan con el incremento del contenido de carbono.

La Figura 1 - 1-8 muestra el modelo de bolas y varas del etileno. Obviamente las

uniones carbono-carbono no satisfacen el ángulo normal de unión del tetraedro de

109.5º. Esto indica que las uniones dobles son menos estables que las uniones

simples y son, por lo tanto, más probables de ser atacados por otro químicos.

Así, los alquenos, debido a sus uniones dobles, son más reactivos que los alcanos. La

mayoría de las reacciones de los alquenos conllevan la eliminación de la unión doble y

la formación de dos fuertes uniones simples.

BORRADOR

19

Tabla 1 - 8 Algunas propiedades físicas de los alquenos

Nombre Formula Punto de

ebullición, ºF Punto de fusión, ºF

Gravedad específica,

60º/60º

Etileno 2 2CH CH -154.7 -272.5

Propileno 2 3CH CHCH -53.6 -301.4

1-buteno 2 2 3CH CHCH CH 20.8 -301.6 0.601

1-penteno 2 2 32CH CH CH CH 85.9 -265.4 0.646

1-hexeno 2 2 33CH CH CH CH 146 -216 0.675

1-hepteno 2 2 34CH CH CH CH 199 -182 0.698

1-octeno 2 2 35CH CH CH CH 252 -155 0.716

1-noneno 2 2 36CH CH CH CH 295 0.731

1-deceno 2 2 37CH CH CH CH 340 0.743

Alcadienos, alcatrienos y alcatetraenos

Muchos compuestos hidrocarburíferos contienen dos o más uniones dobles. Estos son

conocidos como alcadienos, alcatrienos y alcatetraenos, con el sufijo que denota el

número de uniones dobles. La localización de cada unión doble es especificada por los

números apropiados como se muestra abajo.

Estos compuestos, son conocidos como diolefinas, triolefinas, etc. Además, los

alcadienos son tambien comúnmente conocidos como dienos. Los dienos tiene una

formula general 2 2n nC H , la cual indica un mayor grado de no saturación mayor que

los alquenos.

Químicamente, estos compuestos son tan reactivos como los alquenos. Físicamente,

las propiedades de estos compuestos son similares a los alcanos con el

correspondiente número de átomos de carbono.

Alquinos

La característica que distingue la estructura de los alquinos es la triple unión carbono-

carbono. La fórmula general para los alquinos es 2 2n nC H , la cual es la misma fórmula

general que la de los dienos. Sin embargo, los alquinos y dienos tienen diferentes

grupos funcionales y por lo tanto diferentes propiedades.

BORRADOR

20

Nomenclatura de los alquinos

Las reglas de la IUPAC son exactamente las mismas para nombras a los alquinos

como lo fueron para los alquenos excepto que el sufijo –ino remplaza el –eno.

La estructura principal es la cadena más continua más larga que contiene la unión

triple, y la posición de ambos, los sustituyentes y la triple unión, son indicados con

números. De acuerdo con este sistema el alquino más simple debe ser llamado etino;

sin embargo, este compuesto es comúnmente llamado acetileno. Los otros alquinos

son usualmente llamados de acuerdo al sistema IUPAC.

Características físicas y químicas de los alquinos

Los alquinos tienen características físicas esencialmente las mismas que la de los

alcanos y alquenos. La Tabla 1 - 9 da las propiedades físicas de algunos de los

alquinos. Las tendencias en los puntos de fusión y ebullición son de nuevo aparentes.

Químicamente los alquinos se parecen mucho a los alquenos. Ambas familias son

mucho más reactivas que la de los alcanos. Desde que la triple unión parece ser más

tensa de alguna manera más que la unión doble, debería parecer químicamente más

inestable. Sin embargo, por razones que no son completamente entendidas, la unión

triple carbono-carbono es menos reactiva que la unión doble unión carbono-carbono

algunos reactantes son más reactivos que otros reactantes.

Como con los alquenos, la mayoría de las reacciones químicas de los alquinos

envuelven la eliminación de la triple unión a favor de una doble y una simple unión.

Normalmente las reacciones continúan así que la doble unión es eliminada a favor de

dos uniones simples.

Tabla 1 - 9 Algunas características físicas de los alquinos

Nombre Formula

Punto de ebullición,

ºF

Punto de

fusión, ºF

Gravedad específica,

60º/60º

Acetileno HC CH -120 -114

Propino 3HC CCH -9 -151

1-butino 2 3HC CCH CH 48 -188

1-pentino 2 32HC C CH CH 104 -144 0.695

1-hexino 2 33HC C CH CH 162 -191 0.719

1-heptino 2 34HC C CH CH 212 -112 0.733

1-octino 2 35HC C CH CH 259 -94 0.747

BORRADOR

21

1-nonino 2 36HC C CH CH 304 -85 0.763

1-decino 2 37HC C CH CH 360 -33 0.770

2-butino

3 3CH C CCH 81 -11 0.694

2-pentino 3 2 3CH C CCH CH 131 -150 0.714

3-metil-1-butino 3 2HC CCH CH 84 0.665

2-hexino 3 2 32CH C C CH CH 183 -134 0.730

3-hexino 3 2 2 3CH CH C CCH CH 178 -60 0.725

3,3-dimetil-1-butino 3 3HC CC CH 100 -114 0.669

4-octino 3 2 2 32 2CH CH C C CH CH 268 0.748

5-decino 3 2 2 33 2CH CH C C CH CH 347 0.759

Hidrocarburos cicloalifáticos

Los átomos de carbono en los compuestos que hemos estudiando en secciones

previas de este capítulo están adjuntos unos con otros para formar cadenas. Sin

embargo, en muchos compuestos de hidrocarburos los átomos de carbono son

ordenados como anillos. Estos con llamados compuestos cíclicos. Está sección

considera a los cicloalcanos y cicloalquenos.

Cicloalcanos

Los cicloalcanos son tambien conocidos como naftenos, cicloparafinas o hidrocarburos

alicíclicos. En la industria petrolera está clase de hidrocarburos es conocida como

naftenos. Los naftenos tienen anillos saturados. La fórmula general para el anillo sin

sustituyentes es 2n nC H . Esta es la misma que la de la fórmula general para la serie

de los alcanos; sin embargo, la configuración estructural difiere completamente y, así,

las características físicas y químicas no son del todo similares.

La mayoría de los cicloalcanos son ciclohexanos y ciclopentanos.

Nomenclatura de los cicloalcanos

Son nombrados con el prefijo ciclo- añadido al nombre del alcano que tiene el mismo

número de tomos de carbono en su cadena.

BORRADOR

22

Los sustituyentes sobre los anillos son nombrados y sus posiciones indicadas por

números. La menos combinación posible es usada.

Por conveniencia, los anillos parafínicos son a menudo representados por sus simples

figuras geométricas como se muestra abajo. Cada esquina de una figura representa u

átomo de carbono, y la valencia de carbono es satisfecha con átomo de hidrogeno que

no son mostrados.

Propiedades físicas y químicas de los cicloalcanos

La Tabla 1 - 10 da las propiedades físicas de los cicloalcanos. De nuevo vemos las

series homologas con cambios razonablemente regulares en los puntos de ebullición,

puntos de fusión y gravedades específicas.

Tabla 1 - 10 Alguna propiedades físicas y químicas de los cicloalcanos

Nombre Punto de

ebullición, ºF Punto de fusión, ºF

Gravedad específica, 60º/60º

Ciclopropano -27 -197 Ciclobutano 55 -112 Ciclopentano 121 -137 0.750 Ciclohexano 177 44 0.783 Cicloheptano 244 10 0.810 Ciclooctano 300 57 0.830 Metilciclopentano 161 -224 0.753 Cis-1,2-dimetilciclopentano 210 -80 0.772 trans-1,2-dimetilciclopentano 198 -184 0.750 Metilciclohexano 214 -196 0.774

BORRADOR

23

Ciclopenteno 115 -135 0.774 1,3-ciclopentadieno 108 -121 0.798 Ciclohexeno 181 -155 0.810 1,3-ciclohexadieno 177 -144 0.840 1,4-ciclohexadieno 189 -56 0.847

A diferencias de la mayoría de las series homologas, los diferentes miembros de la

familia de los cicloalcanos exhiben diferentes reactividades químicas. Ya hemos visto

que la reactividad química es relacionada con la tensión de la unión carbono-carbono y

que idealmente las uniones de los carbono deben tener ángulos de unión de 109.5º.

Como existe una diferencia en la reactividad entre las diferentes cicloparafinas,

comenzamos con la menos reactiva – el ciclohexano. Si el ciclohexano existiera como

un hexágono plano, el ángulo de unión seria 120º. Sin embargo, toma una estructura

arrugada como se muestra en las dos configuraciones de la Figura 1 - 1-10. Así la

estabilidad de las uniones es la misma que en las cadenas rectas de alcanos.

Los cinco átomos de carbono del Ciclopentano forman un pentágono plano regular con

ángulos internos de 108º, los cuales son muy cercanos a las uniones normales

carbono-carbono. La verdad, las moléculas del Ciclopentano no son exactamente

planas; sin embargo, los ángulos de unión son suficientemente cercanos al ángulo

normal así que estas uniones son sustancialmente tan estables como las del

ciclohexano.

El Ciclobutano y el Ciclopropano tienen ángulos considerablemente más pequeños

que el ángulo normal de 109.5º, y la tensión del ángulo es grande. Vea la Figura 1 -

1-4. Estos compuestos son mucho más reactivos que el Ciclopentano y el ciclohexano;

usualmente la resquebradura de la unión carbono-carbono para abrirle paso a un

compuesto de cadena abierta que tenga los ángulos normales. El Ciclobutano y el

Ciclopropano no son encontrados en las mezclas de los petróleos naturales.

Figura 1 - 1-10 Dos configuraciones del ciclohexano con ángulos de unión de 109.5º (hidrógenos omitidos)

BORRADOR

24

Figura 1 - 1-11 Modelos de bolas y varas de los isómeros cis y trans del 1,2-dimetilciclopropano

Los anillos del carbono siete y mayores pueden lograr configuraciones que tienen

ángulos de unión cercanos a los normales. Está indica que los anillos grandes son

razonablemente estables químicamente. Sin embargo, los anillos con siete o más

carbono no son particularmente comunes, probablemente debido a que existe muy

poca probabilidad que una cadena larga con el grupo reactivo propia a ambos

extremos vaya a doblarse en una posición que le permita una reacción en forma de

anillo.

El isomerismo cis-trans ocurre en cicloalcanos di-sustituidos como se ve en la Figura 1

- 1-11.

Anillos condensados

Las cicloparafinas pueden tener más de un anillo, con anillos que comparten átomos

de carbono. Estos son llamados anillos condensados. Un componente común de este

tipo de bicliclodecano, es llamado decalin. Otras estructuras de anillo condensado

comúnmente encontradas en el petróleo son mostradas.

Cicloalcanos y Cicloalcadienos

Los compuestos orgánicos con los cuales los átomos de carbono están unidos

conjuntamente para formar un anillo con una o dos uniones dobles presentes en el

anillo son llamados cicloalquenos y cicloalcadienos. Estos hidrocarburos son

nombrados con el prefijo ciclo- a sus nombres de cadena de hidrocarburo abierta que

tienen el mismo número de carbonos y el mismo número de uniones dobles. Los

átomos de carbono en el anillo son numerados así una unión doble es considerada a

ocupar posiciones 1 y 2.

BORRADOR

25

.Los cicloalquenos y cicloalcadienos son casi tan reactivamente químicos como sus

análogos de cadenas abiertas. Los cicloalquenos pueden experimentar reacciones de

resquebraduras que hacen que el anillo se abra formando una cadena.

Aromáticos

Los compuestos aromáticos (tambien llamados arenos) incluido el benceno y los

compuestos que se parecen al benceno en su comportamiento químico. Aquellas

propiedades del benceno que lo distinguen de los hidrocarburos alifáticos son

llamadas propiedades aromáticas. Usualmente las estructuras de los compuestos

aromáticos son formadas con el benceno como la estructura principal, sin embargo un

puñado de compuestos que poseen propiedades aromáticas tienen estructuras que

difieren de la estructura del benceno.

Obviamente, cualquier estudio de la estructura de los compuestos aromáticos deben

comenzar con el estudio del benceno. El benceno es único en que las uniones entre

los átomos de carbono en el benceno no parecen seguir la teoría de las uniones

covalentes que hemos desarrollado hasta aquí.

Benceno

El benceno es una molécula plana con seis átomos de carbono ordenados en un anillo

hexagonal. Seis átomos de hidrogeno, uno asociado con cada carbono, radiado hacia

fuera del anillo. La molécula es plana y simétrica así que todas las uniones están a

120º. Al principio los químicos pensaban que el benceno debe tener una estructura tal

como aparentaba, la del ciclohexano. Sin embargo, como hemos visto de nuestro

estudio de los cicloalquenos y cicloalcadienos, si el benceno tuviera esa estructura,

sus propiedades químicas deberían ser similares a su alcatrieno correspondiente:

1,3,5-hexatrieno.

Si el benceno tuviera la estructura que se postula, sería muy reactivo experimentaría

reacciones que causarían que el anillo se saturara o se quebrara en las posiciones con

doble unión.

Esto, de hecho, no pasa. El anillo de benceno es una estructura muy estable que

puede ser envuelta en varias reacciones en las cuales los productos de la reacción

mantendrían el anillo bencénico. Así las uniones en los anillos del benceno deben ser

mucho más estables que los de doble unión.

Uniones del benceno

Muchas estructuras de unión han sido propuestas para el benceno y ninguna forma ha

sido como completamente satisfactoria. Probablemente la mejor explicación es que los

BORRADOR

26

electrones están localizados encima de todos los seis núcleos de carbono. Así el

benceno no tiene tras uniones simples carbono-carbono. En vez, la molécula del

benceno contiene seis uniones idénticas, cada una intermedia entre una simple y una

doble unión. Este tipo de unión ha sido llamada una unión hibrida, una y media unión,

o simplemente una unión bencénica. Normalmente dibujamos el anillo de benceno

como abajo. Cada una de las esquinas representa un átomo de carbono y cada átomo

de carbono está unido a un átomo de hidrogeno.

Adicionalmente, está entendido que las tres uniones dobles y tres uniones simples

indicadas en la unión no representan la estructura de la unión actual, pero por eso las

uniones son uniones hibridas.

Otros símbolos como se ve abajo son representaciones del anillo de benceno.

Sin embargo, la convención normal es el de usar la representación de doble uniones

simples.

Nomenclatura de los hidrocarburos aromáticos

Desafortunadamente, un método completamente sistemático para nombrar a los

compuestos aromáticos no está en uso. El sistema usado es la combinación de

nombres triviales y el sistema IUPAC. Algunas veces los compuestos que contienen

anillos bencénicos son considerados para ser bencenos sustitutos, en cuyo caso la

palabra benceno aparece en el nombre del compuesto junto con el nombre del

sustituyente.

A veces el anillo de benceno es considerado como un sustituyente; en estos casos es

llamado un grupo fenil. BORRADOR

27

Muchos de los compuestos aromáticos tienen nombres triviales.

Cuando hay dos o más sustituyentes sobre un anillo de benceno, puede existir

isomerización estructural. Por lo tanto, hay tres posibles isómeros de xileno

(dimetilbenceno). Los isómeros son comúnmente designados como orto, meta y para.

Una letra (o, m o p) designa la posición isomérica.

Un amplio rango de compuestos aromáticos tienen anillos bencénicos en la posición

orto. Estos son llamados anillos condensados. Note que la numeración de los átomos

de carbono para el propósito de localizar los grupos sustituyentes. Los aromáticos

condensados tienen la siguiente fórmula 4 2 2 4r rC H para anillos sin sustituyentes

donde, r=número de anillos.

BORRADOR

28

Tabla 1 - 11 algunas propiedades físicas de los hidrocarburos aromáticos-alifáticos

Nombre Formula

Punto de ebullición,

ºF

Punto de

fusión, ºF

Gravedad específica,

60º/60º

Benceno 6 6C H 176 42 0.884

Tolueno 6 5 3C H CH 231 -139 0.872

o-xileno 6 4 3 21,2 C H CH 292 -14 0.885

m-xileno 6 4 3 21,3 C H CH 282 -54 0.869

p-xileno 6 4 3 21,4 C H CH 281 56 0.866

Hemimetillieno 6 3 3 31,2,3 C H CH 349 -13 0.895

Pseudodocumeno 6 3 3 31,2,4 C H CH 336 -47 0.876

Mesitileno 6 3 3 31,3,4 C H CH 331 -49 0.864

Prehniteno 6 2 3 41,2,3,4 C H CH 401 20 0.902

Isodureno 6 2 3 41,2,3,5 C H CH 387 -11

Dureno 6 2 3 41,2,3,5 C H CH 383 176

Pentametilbenceno 6 3 5C H CH 448 127

Hexametilbenceno 6 3 6C H CH 507 329

Etilbenceno 6 5 2 5C H C H 277 -139 0.872

n-propilbenceno 8 5 2 2 3C H CH CH CH 318 -146 0.862

Cumeno 6 5 3 2C H CH CH 306 -141 0.866

n-butilbenceno 6 5 2 23C H CH CH 361 -114 0.660

Isobutilbenceno 6 5 2 3 2C H CH CH CH 340 0.867

sec-butilbenceno 6 5 2 3 2 5C H CH CH C H 344 -177 0.864

tert-butilbenceno 6 5 3 2 5C H CH CH C H 336 -72 0.867

p-cimeno 3 6 4 3 21,4 CH C H CH CH 351 -94 0.857

BORRADOR

29

Bifenil 6 5 6 5C H C H 491 158

Difenilmetano 6 5 2 6 5C H CH C H 505 79

Trifenilmetano 6 5 3C H CH 680 199

1,2-dimetilmetano 6 5 2 2 6 5C H CH CH C H 543 126

Estireno 6 5 2C H CH CH 293 -23 0.911

trans-stilbeno 6 5 6 5trans C H CH CHC H 585 255

Cis-stilbeno 6 5 6 5cis C H CH CHC H 43

Unsym-difeniletileno 6 5 22C H C CH 531 48 1.02

Trifeniletileno 6 5 6 52C H C CHC H 163

Tetrafeniletileno 6 5 6 52 2C H C C C H 797 441 0.930

Fenilacetileno 6 5C H C CH 288 -49

Difenilacetileno 6 5 6 5C H C CC H 572 144

Propiedades físicas y químicas de los hidrocarburos aromáticos

Muchos de los compuestos que contienen anillos de benceno tienen olores muy

agradables y por esta razón son llamados hidrocarburos aromáticos. Estos

compuestos, sin embargo, son generalmente algo tóxicos; algunos son cancerígenos.

La inhalación de los hidrocarburos aromáticos debe ser evitada. Una lista de los

compuestos aromáticos más comunes y sus propiedades físicas son dados en la

Tabla 1 - 11.

Las relaciones inusuales entre las propiedades físicas y el tamaño molecular son

evidentes. Además, el efecto de la simetría molecular puede verse, particularmente en

el caso de los xilenos. El punto de fusión del p-xileno es considerablemente mayor que

los puntos de fusión del o-xileno y el m-xileno.

Como ya hemos notado las uniones hibridas de los anillos bencénicos tienen la misma

estabilidad que de las uniones simples carbono-carbono encontradas en los alcanos.

Los compuestos aromáticos pueden entrar en muchas reacciones sin que se afecte la

estructura del anillo. Los aromáticos volátiles son altamente inflamables y arden con

una luminosa, hollinienta llama en contraste con los alcanos y alquenos, que arden

con una llama azulada, dejando pocos residuos de carbón.

Cicloalcanoaromaticos

Muchas de las moléculas grandes encontradas en el petróleo son anillos condensados

consistentes de cicloparafinas y aromáticos. Estos compuestos son llamados

cicloalcanoaromaticos o nafteno-aromáticos. Los dos compuestos más pequeños de

esta clase son el lindano y el tetrahidronaftaleno (tetralín).

BORRADOR

30

Compuestos de este tipo a menudo tiene un componente parafínico en el cual uno o

más grupos alquil, usualmente metil, son adheridos a los anillos de carbono.

Otros compuestos orgánicos

Los químicos orgánicos estudiados hasta ahora en el texto son conocidos como

hidrocarburos, ya que las moléculas contienen solo átomos de carbono e hidrogeno.

Existen muchas otras familias de compuestos orgánicos que son compuestos de las

estructuras básicas que hemos estudiado; sin embargo, sus moléculas contienen

átomos aparte del carbono e hidrogeno. La Tabla 1 - 12 lista estas familias junto con

sus grupos funcionales por el cual son caracterizadas estas familias. Estas familias no

deben ser estudiadas en destalle debido a que están presentes solo en una cantidad

limitada en los depósitos naturales de petróleo.

Tabla 1 - 12 Clasificación de los compuestos orgánicos de acuerdo a sus grupos funcionales

Ejemplo típico

Clase de compuesto Grupo funcional Fórmula Nombre

Alqueno 1-buteno Alquino Metilacetileno Alcohol OH Ciclobutanol

Éter

Metil etil éter

Halido F, Cl, Br o I Ciclopentil cloruro

Aldehído

Propionaldehído

Acetona

2-butanona

Acido carbólico

n-ácido pentanoico

Amina Metilamina

BORRADOR

31

Compuesto nitroso

2-nitropropano

Nitrilo Acetonitrilo

Órgano metálico

n-butil litio

Las clases listadas en la Tabla 1 - 12 son familias que exhiben la misma regularidad

en los puntos de ebullición, puntos de fusión, densidades y otras propiedades vistas en

las familias de hidrocarburos que ya hemos estudiado. Algunas de las familias son

nombradas con sufijos característicos mientras otras tienen sufijos o hasta palabras

separadas en el nombre. Por lo tanto, los alcoholes son nombrados con el sufijo –ol.

Acetonas son nombrados con el sufijo –ona. Aminas y nitrilos son nombrados con el

sufijo completo de acuerdo al nombre de la familia. Éteres y halídos usualmente el

nombre completo de la familia como un nombre separado y los nitro- y compuestos

organometálicos tienen el prefijo nitro. O el prefijo correspondiente a la partes del

hidrocarburo de la molécula organometálica.

Información adicional sobre estos compuestos orgánicos puede ser obtenida en

cualquier libro de química orgánica básica.

Muchos compuestos tienen dos o más grupos funcionales dados en la Tabla 1 - 12.

Varios ejemplos de estos compuesto polifuncionales son dados abajo.

Componentes no hidrocarburos del petróleo

Nitrógeno, dióxido de carbono y sulfuro de hidrogeno son constituyentes no

hidrocarburos comunes del petróleo. Los tres son moléculas livianas y mayormente

son gases en la superficie. El hidrogeno y el helio son encontrados en algunos gases

naturales. La Tabla 1 - 1 muestra las cantidades típicamente encontradas de estos no

hidrocarburos en los gases de petróleo.

BORRADOR

32

Los petróleos tambien contienen compuestos en los cuales el sulfuro, oxígeno y otros

átomos de nitrógeno son combinados con el carbono y el hidrogeno. Estos elementos

usualmente son combinados con estructuras complejas de anillo que constituyen a las

moléculas más grandes del petróleo. Estos largos compuestos forman una clase de

químicos llamados resinas y asfaltenos. La cantidad es estos compuestos en el

petróleo a menudo es muy pequeña; sin embargo, como mucho el 50% del total de las

moléculas en algunos petróleos crudos son resinas y asfaltenos.

Compuestos sulfurosos

Los compuestos sulfurosos forman el grupo más largo de no hidrocarburos en el

petróleo. Los petróleos crudos varían considerablemente en su contenido de sulfuros.

Algunos tienen extremadamente bajo contenido de sulfuros con menos del 0.1 por

ciento en peso. Sin embargo, crudos altamente sulfurosos pueden tener tanto como

cinco a siete por ciento de sulfuro. Debido a que el sulfuro es solo una pequeña parte

de la molécula más grande, un petróleo crudo con un contenido de sulfuro de cinco por

ciento en peso puede por cierto tener átomos de sulfuro como una parte de más de la

mitad del total de las moléculas.

En general, la cantidad de sulfuro incrementa a medida de que la densidad del

petróleo incrementa. Los compuestos de sulfuro envenenan los catalizadores

metálicos usados en los procesos de refinamiento. Hay límites legales y contractuales

sobre la cantidad de sulfuro contenido en la mayoría de los productos. Así, la refinería

debe remover o destruir los compuestos de sulfuro en el crudo para alcanzar un nivel

aceptable.

Sulfuro de hidrogeno

El sulfuro de hidrogeno, 2H S , es un gas incoloro que tiene un punto de ebullición de -

76.5ºF y tiene un olor extremadamente malo. Los gases naturales que contienen

cantidades muy pequeñas de sulfuro de hidrogeno tienen olores muy desagradables.

El sulfuro de hidrogeno es venenoso; respirar gases en cantidades moderadas de

sulfuro de hidrogeno puede ser fatal.

El sulfuro de hidrogeno es usualmente removido del gas natural por absorción con

etanolamidas. Algunos gases naturales que contienen altas concentraciones de

sulfuro de hidrogeno son usados en la producción de azufre.

Mercaptanos

Los mercaptanos tienen una fórmula general, RSH, en la cual la R representa

cualquier grupo orgánico. Los mercaptanos son tambien conocidos como tioles.

En general, los mercaptanos tienen un olor más desagradable que el sulfuro de

hidrogeno. Por ejemplo, el butanotiol es un componente de la secreción del zorrillo y el

propanotiol es un componente del vapor de la cebolla recientemente cortada.

BORRADOR

33

La mayoría de los materiales orgánicos naturales que tienen olores fuertes, sean

agradables o desagradables, contienen ya sea mercaptanos o sulfuros de alquil.

Varios mercaptanos han sido hallados en el petróleo crudo y el olor que es contribuido

por pequeñas cantidades de estos materiales les confiere el nombre de petróleo crudo

agrio.

Sulfuros de alquil

Los sulfuros de alquil tienen como fórmula general RSR. Los sulfuros de alquil tambien

son llamados tío éteres o monosulfuros. Los sulfuros de alquil forman el ingrediente

principal en muchas de las especias usadas al cocinar. Por lo tanto, el allilsulfuro es el

principal constituyente del ajo.

Los sulfuros de alquil son encontrados en el petróleo crudo y causan problemas para

el refinador, como lo hacen los mercaptanos y el sulfuro de hidrogeno.

Otros compuestos sulfurosos

El sulfuro tambien puede presentarse en estructuras complejas de anillo o estar

anexados al anillo. Estas moléculas son usualmente muy largas, conteniendo 30 o

más átomos de carbono. Sin embargo, algunos ejemplos simples ilustraran los tipos

de compuestos de sulfuros encontrados en el petróleo crudo. BORRADOR

34

Compuestos de oxígeno

Muy poco es conocido sobre los compuestos de oxígeno hallados en el petróleo crudo.

Sin embargo, compuestos largos con varios anillos, sean aromáticos o nafténicos, que

contienen oxígeno, han sido aislados de muchos crudos. El oxígeno puede ser parte

del anillo o puede tomar la forma de los aldehídos, alcoholes, cetonas o ácidos. El

oxígeno es normalmente asociado con moléculas muy grandes. Sin embargo, algunos

ejemplos que muestran los tipos de estructuras son dadas abajo.

El ácido carbólico usualmente es anexado a un anillo nafténico en que de un anillo

aromático. Estos ácidos orgánicos son conocidos más bien con el término más bien

impreciso de ácidos nafténicos. Estos ácidos pueden ser neutralizados con bases

comunes. Por lo tanto, el número de acides de un crudo es el número de hidróxido de

potasio necesarios para neutralizar el ácido carboxílico en un gramos de petróleo

crudo. Los ácidos en el petróleo crudo actúan una parte importante del esquema de

una técnica de recuperación mejorada de petróleo conocida como anegación acida.

A menudo el oxígeno está presente en el petróleo crudo como una parte de la

estructura de anillo. Un ejemplo simple es la coumarona.

Compuestos nitrogenados

Muy poco se sabe sobre los compuestos nitrogenados encontrados en el petróleo

crudo aparentemente, los átomos de nitrógeno son incluidos en las estructuras de

anillos complejas. Ejemplos simples son dados abajo.

BORRADOR

35

Componentes organometálicos

El vanadio y níquel están presentes en cantidades de partes por millón en la mayoría

de los petróleos crudos, usualmente en compuestos largos organometálicos llamados

porfirianos. La estructura química de los porfirianos es muy semejante a la la materia

distorsionada en la sangre y a la clorofila en la plantas.

Cantidades más pequeñas de otros metales, incluyendo al cobre y al hierro, han sido

encontradas en el petróleo.

Resinas y asfaltenos

Los químicos en el petróleo son clasificados como parafinas, naftenos, aromáticos y

resinas asfalténicas. Hemos discutido las primeras tres clases, las que son

hidrocarburos. Ahora nos concentraremos en las resinas y asfaltenos.

Las resinas y asfaltenos son moléculas largas, primariamente de hidrogeno y carbono,

con uno o tres átomos de azufre, oxígeno o nitrógeno por molécula. La estructura

básica está compuesta de anillos, primariamente aromáticos, con desde tres a 10 o

más anillos en cada molécula. Los átomos no hidrocarburíferos pueden formar parte

de las estructura del anillo o pueden ser localizados en las uniones que unen los

anillos.

Las estructuras básicas de las resinas y asfaltenos son similares. Ambas pueden ser

formadas por oxidación de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Por otra parte,

ambas pueden ser reducidas a hidrocarburos por hidrogenación, con rendimientos

moderados a largas moléculas de hidrocarburos, sulfuro de hidrogeno y agua.

Adicionalmente, las resinas pueden ser convertidas en asfaltenos por oxidación.

BORRADOR

36

Existen, sin embargo, diferencias importantes entre las resinas y los asfaltenos. Los

asfaltenos no se disuelven en petróleo pero son dispersados en coloidales. Las

resinas fácilmente se disuelven en petróleo. Los asfaltenos puros son polvos negros,

sólidos y secos, y son no volátiles. Las resinas puras son líquidos viscosos o solidos

pegajosos y son tan volátiles como los hidrocarburos del mismo tamaño. Las resinas

de pesos moleculares altos son rojas; las resinas livianas son menos coloreadas.

Así, cuando el petróleo es separado en fracciones por destilación, los asfaltenos

quedan en la fracción más pesada, el residuo, mientras que las resinas son

distribuidas a través de varias fracciones de acuerdo a su volatilidad. El color de estos

destilados casi depende enteramente de la presencia de resinas. El color de la

fracción más pesada, el residuo, está determinado en gran parte por la presencia de

asfaltenos.

El color del petróleo es determinado en gran parte por la cantidad de resinas y

asfaltenos presentes, aunque el color molde verdoso de algunos petróleos

probablemente es debido a la presencia de moléculas conteniendo seis o más anillos.

Clasificación de los Petróleos Crudos

Los petróleos crudos pueden ser clasificados por sus características físicas o por la

estructura química de las moléculas que lo constituyen. Las estructuras químicas son

mucho más difíciles de medir que las propiedades físicas.

Clasificación física

El valor comercial del petróleo líquido puede ser estimado rápidamente a través de la

medición de las siguientes características físicas:

Gravedad especifica

Contenido de gasolina y queroseno

Contenido de sulfuros

Contenido de asfalto

Punto de fluidez

Punto de opacidad

Las primeras cuadro de estas propiedades fueron discutidas. El punto de fluidez es la

temperatura más baja, expresada en múltiplos de 5ºF, al cual el líquido es capaz de

fluir cuando es enfriado bajo condiciones preestablecidas. El punto de opacidad es la

temperatura a la que las resinas parafínicas comienzan a solidificarse y es identificado

por el principio de turbiedad a medida que la temperatura es bajada. Ambos test miden

cualitativamente el contenido de parafina del líquido.

Clasificación química

La clasificación química de los petróleos se relaciona a la estructura moléculas de las

moléculas del petróleo. Por supuesto que las moléculas más pequeñas, seis átomos

de carbono o menos, son predominantemente parafinas. Así que la clasificación

química es usualmente basada sobre el análisis del petróleo luego de que las

moléculas ligeras son removidas.

Términos tales como parafínico, nafténico, nafténico-aromático y aromático-asfaltico

son usados en varios métodos de clasificación que han sido propuestos. Estos

BORRADOR

37

términos obviamente se refieren a la estructura molecular de las especies químicas

más predominantes en la mezcla de petróleo crudo. Sin embargo, tales clasificaciones

se hacen dificultosas debido a que las moléculas más grandes usualmente consisten

de anillos aromáticos y nafténicos condensados con cadenas de lados parafínicos. Las

propiedades características de las moléculas dependen de la proporción de estas

estructuras.

Un método de clasificación trata a una molécula grande como aromático si está tiene

un solo benceno sin importar el otro contenido. Otro método considera la fracción de

cada molécula si es aromático, nafténico o parafínico. Obviamente, en cualquier caso

el procedimiento de análisis es tedioso. Un tercer método de clasificación simplemente

mide las gravedades específicas de varias fracciones separadas por destilación e

intenta relacionar la estructura química con la gravedad específica.

La industria petrolera se ha puesto de acuerdo sobre un sistema de clasificación

estándar. Adicionalmente, la clasificación del petróleo crudo tiene poca importancia en

su producción, con excepción que los crudos parafínicos pueden precipitar ceras y

taponear la sarta de producción. Consecuentemente, no examinaremos los sistemas

de clasificación en detalle. Kinghorn da una buena revisión de los sistemas de

clasificación química.

BORRADOR

38

2. Comportamiento de las fases Antes de estudiar las propiedades de los gases y los líquidos, necesitamos entender

las relaciones entre las dos fases. El punto de partida será un estudio de la presión de

vapor y el desarrollo de la definición de punto crítico. Luego veremos en detalle los

efectos de la presión y temperatura sobre una las propiedades intensivas de interés

particular para los ingenieros petroleros: volumen específico.

El termino fase define cualquier o físicamente bien definida parte de un sistema que

está separado de otras partes del sistema por una delimitada superficie. Por ejemplo,

el hielo, el agua líquida y el vapor de agua son tres fases. Cada una está físicamente

bien definida y es homogénea, y existen límites definidos entre el hielo y el agua, entre

el hielo y el vapor de agua y entre el agua líquida y el vapor de agua. Así, podemos

decir que tenemos un sistema de tres fases: solido, líquido y gas. Una fase particular

no necesita ser continua. Por ejemplo. El hielo puede existir como varios

conglomerados en el agua.

La definición de fase puede ser llevada más allá. Dependiendo de la temperatura y

presión, lo solidos pueden tomar formas cristalinas diferentes. Estas constituyen las

fases separadas. El ingeniero petrolero no le importa la forma cristalina de los sólidos;

por consiguiente, consideraremos solo tres fases: gas, líquido y sólido. Para el

propósito de nuestra discusión usaremos las palabras vapor y gas de forma

intercambiada. Algunos autores tratan de distinguir entre estas dos palabras, pero la

diferencia no tiene importancia para nosotros.

Las propiedades físicas pueden ser llamadas intensivas o extensivas. Las propiedades

intensivas son independientes de la cantidad de material presente. Densidad, volumen

específico y factores de compresibilidad son algunos ejemplos. Propiedades tales

como volumen y masa son llamados extensivas; sus valores son determinados del

total de la cantidad de materia presente.

La manera en la que los hidrocarburos se comportan cuando la presión y temperatura

son cambiadas es explicada de una mejor mediante una consideración del

comportamiento de las moléculas individuales:

Presión – es un reflejo del número de moléculas presentes y su movimiento,

temperatura – un reflejo de la energía cinética de las moléculas y su atracción-

repulsión molecular. La atracción molecular tienden a confinar la moléculas y

atraerlas juntas. La temperatura y la repulsión molecular tienden a separar las

moléculas.

Cuando el material parece estar en reposo, esto es, sin cambio de volumen o cambio

de fases, las fuerzas que confinan las moléculas están balanceadas con las fuerzas

que tienden a separarlas. Cuando el material no está en reposo, en caso del agua

hirviendo para el agua, las fuerzas están desbalanceadas y el material está cambiando

entonces tratan de ganar el balance.

La temperatura es simplemente una medida física de la energía cinética promedio de

las moléculas del material. A medida que el calor es añadido al material, la energía

BORRADOR

39

cinética de las moléculas es incrementada, y como resultado, la temperatura

incrementa. El incremento en la energía cinética causa un incremento en el

movimiento molecular, el cual resulta en una tendencia para que las moléculas se

traten de separarse.

La presión es un reflejo del número de veces que la molécula de un gas golpean las

paredes de su contenedor. Su las moléculas son forzadas cerca unas a otras la

presión incrementa.

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas de atracción y repulsión entre las

moléculas. Estas fuerzas cambian a medida que la distancia entre las moléculas

cambia. La fuerza atractiva incrementa mientras que la distancia entre las moléculas

disminuye hasta que las moléculas se acercan tanto que sus campos electrónicos se

traslapan. Cualquier disminución adicional de la distancia entre las moléculas causara

una fuerza repulsiva entre ellas. Está fuerza repulsiva incrementara a medidas que las

moléculas son forzadas a estar juntas.

Los gases, en los cuales las moléculas están relativamente muy separadas, tienen una

fuerza atractiva entre las moléculas a medida que las distancias entre las moléculas

disminuyen. Sin embargo, en un líquido, en el cual las moléculas están muy cerca, hay

una fuerza de repulsión entre la moléculas que causa que un líquido resista un

compresión adicional.

Sustancias puras

Consideraremos primero sistemas que consisten de una simple, sustancia pura. Estos

sistemas se comportan diferentes que los sistemas compuestos por dos o más

componentes. En particular, estaremos interesados en el comportamiento de las fases,

esto es, las condiciones de temperatura y presión para las cuales las diferentes fases

pueden existir.

Nos interesaran tres variables: presión, temperatura y volumen. La presión y

temperatura son impuestas sobre el sistema y determinan la fase o fases que pueden

existir. Las fases que existen son identificas por sus volúmenes específicos o

densidades.

Luego de una examinación cuidadosa del comportamiento de las fases de un

sustancia pura discutiremos el comportamiento de los sistemas que contienen dos o

más componentes y mostraremos las diferencias entre el comportamiento de los

multicomponentes y el comportamiento de una sustancia pura.

Diagrama de fases para una sustancia pura

Un diagrama de fases es un gráfico de presión contra la temperatura mostrando las

condiciones bajo las cuales estarán presentes las variadas fases de una sustancia. La

Figura 2-1 muestra un diagrama de fases para un componente único del sistema. Los

diagramas de fases a menudo son llamados diagramas presión – temperatura.

La línea presión – vapor

La línea TC en la Figura 2-1 es llamada línea de vapor – presión. Está línea separa

las condiciones de temperatura y presión para la cual la sustancia es un líquido de las

condiciones para las cuales la sustancia es un gas. Los puntos de presión temperatura

BORRADOR

40

que están exactamente debajo de esta línea indican condiciones a las cuales la

sustancia es un líquido. Similarmente, los puntos por debajo de la línea vapor –

presión representan las condiciones para las cuales la sustancia es un gas. Los puntos

presión – temperatura que caen exactamente sobre la línea indican las condiciones

para las cuales gas y líquido coexisten.

Figura 2-1 diagrama de fases típico para una sustancia pura.

El punto critico

El límite superior de la línea vapor – presión es el punto crítico, indicado por el punto

C. La temperatura y presión representadas por este punto es llamada la temperatura

crítica, cT , y la presión critica, cP .

Para una sustancia pura, la temperatura crítica puede ser definida como la

temperatura sobre la cual el gas no puede ser licuado, sin importar la presión aplicada.

Similarmente, el presión crítica de una sustancia pura es la presión sobre la cual el gas

y el líquido no puede coexistir, sin importar la temperatura. Estas definiciones de las

propiedades críticas son invalidad para los sistemas con más de un componente.

El punto triple

El punto T sobre la línea de vapor – presión es llamada la línea del punto triple. Este

punto representa las presiones y temperaturas a la cual sólido, líquido y gas pueden

coexistir bajo condiciones equilibradas.

La línea de presión – sublimación

A temperaturas por debajo del punto triple, la línea de vapor – presión divide las

condiciones para las guales la sustancia es un gas. Está línea tambien es llamada la

línea presión – sublimación. Teóricamente está línea se extiende a la temperatura del

cero absoluto y una presión absoluta de cero.

La línea del punto de fusión

La línea del punto de fusión es la línea casi vertical sobre el punto triple. Está línea

separa las condiciones del estado sólido de las condiciones del estado líquido. De

nuevo, los puntos de presión – temperatura que cae exactamente sobre esta línea

indican un sistema de dos fases – in este caso la coexistencia del sólido y el líquido.

Los diagramas de fase para algunos materiales puros muestran otras líneas dentro de

la región de la fase sólida, indicando cambios de fase traídos aproximadamente por

BORRADOR

41

cambios en la estructura cristalina. El límite superior de la línea de punto de fusión no

ha sido obtenido experimentalmente.

Uso de los diagramas de fase

En orden de ganar un mejor entendimiento del buen uso de los diagramas de fase,

considere un cilindro en el cual la temperatura puede ser controlada y el volumen

puede variar al inyectar o remover mercurio como se muestra en la Figura 2-2. La

Figura 2-2A muestra que una sustancia pura ha sido atrapada en un cilindro a una

presión 1p y a una temperatura por debajo de la temperatura critica de la sustancia.

Figura 2-2 Vaporización de una sustancia pura a temperatura constante

El proceso seguirá la ruta de la línea 123 de la Figura 2-3. Mientras el mercurio es

removido, la presión disminuye, la presión disminuye rápidamente hasta que alcanza

un valor de vp , la presión de vapor de la sustancia. A este punto se comienza a

formar gas como moléculas que dejan el líquido. La presión, que ha forzado las

moléculas a juntarse, ha sido reducida así las moléculas con la mayor energía cinética

pueden escapar del líquido y formar gas.

A medida que la remoción del mercurio continua, el volumen de gas incrementa y el

volumen de líquido disminuye; sin embargo, la presión permanece constante a un

valor de vp . Vea las figuras Figura 1 - 1-1Figura 2-2B, Figura 2-2C y el punto 2 sobre

la Figura 2-3.

BORRADOR

42

Una vez que el líquido desaparece, remoción adicional de mercurio causa un

decremento en la presión a medida que el gas se expande. Eventualmente, la presión

alcanza el punto 3p . La descripción anterior solo se aplica para una sustancia pura.

Luego veremos como este proceso funciona para una mezcla.Figura 2-4

Figura 2-3 diagrama de fases típico de una sustancia pura con dos líneas de

expansión isotérmica: 123 debajo de la temperatura crítica, 45 por arriba de la

temperatura crítica.

Figura 2-4 diagrama de fases típico de una sustancia pura con dos líneas de

cambio a temperatura isobárica: 123 bajo la presión crítica, 45 por arriba de la presión crítica

Si el mismo proceso es seguido para una temperatura por encima de la temperatura

crítica, por ejemplo, la línea 45 sobre la Figura 2-3, la remoción de mercurio causara

un decremento de la presión. Sin embargo no existirá un cambio súbito en la densidad

de la sustancia. La línea de presión de vapor no será cruzada. No hay un cambio de

fases abrupto.

Note que los términos de gas y líquido simplemente designan la fase menos densa,

respectivamente. Estas fases merman y pierden su identidad en el punto crítico.

Usaremos el cilindro descrito previamente para estudiar el proceso del incremento de

la temperatura a presión constante. Vea la línea 123 sobre la Figura 2-4. Temperatura

será incrementada al adicionar calor. Está adición de energía ocasionara que se

BORRADOR

43

incremente la presión, entonces se necesitara el incremento del volumen (al remover

el mercurio) para poder mantener la presión constante.

Figura 2-5 Vaporización de una sustancia pura a presión constante

La Figura 2-5 muestra la celda llena de líquido a la temperatura 1T , que es menor que

la temperatura de presión de vapor de la sustancia. En la Figura 2-5B, la sustancia ha

sido calentada a una presión constante hasta la temperatura de presión de vapor. La

inyección de calor ha causado que incremente la energía cinética de las moléculas

entonces con mayor energía cinética las moléculas pueden escapar de las fuerzas

atractivas para formar un gas. Gas y líquido coexisten.

Luego de que la temperatura de presión de vapor es alcanzada, el calor adicionado

dentro del cilindro no causa in incremento de la temperatura; en lugar de eso, causa la

vaporización del líquido. La temperatura permanecerá constante mientras el gas y el

líquido coexistan. La Figura 2-5D indica que suficiente calor ha sido puesto en el

cilindro para evaporar todo el líquido y el calor adicional ha causado un incremento en

la temperatura a la presión 3T .

El mismo proceso a presiones por encima de la presión crítica, por ejemplo, la línea

45 sobre la Figura 2-4, no muestra el abrupto cambio de fases que muestre el

proceso por debajo de la presión critica.

BORRADOR

44

Presión de vapor de una sustancia pura

Como al ingeniero petrolero raramente le interesan los hidrocarburos sólidos, en la

discusión siguiente solo consideraremos la línea de presión de vapor y las porciones

de líquido y gas del diagrama de fases.

La ecuación de Clausius-Claypeyron

La ecuación de Clausius-Claypeyron expresa la relación entre la presión de vapor y

temperatura. Esta es la ecuación para la línea de presión de vapor. Desarrollaremos

está ecuación con la ecuación de Claypeyron, que fue desarrollada usando la teoría

termodinámica.

Ecuación 2-1

v v

Mg ML

dp L

dT T V V

La relación vdp dT es la tasa de cambio de la línea de presión de vapor con respecto

a la temperatura. Así está representa la pendiente de la línea de presión de vapor. vL

es el calor de vaporización de un mol de líquido, T es la temperatura absoluta y

Mg MV V representa el cambio en el volumen de una molécula a medida que va de

líquido a gas.

Normalmente, el volumen molar de un líquido es de alguna forma más pequeño que el

volumen molar del gas, entonces nosotros ignoraremos el volumen molar del líquido y

reescribiremos la Ecuación 2-1.

Ecuación 2-2

v v

Mg

dp L

dT TV

Veremos luego que la presión, volumen y temperatura de un gas ideal puede estar

relacionado por la Ecuación 3 – 13.

v Mgp V RT

La combinación de la Ecuación 2-2 y la Ecuación 3-13 resultando en

Ecuación 2-3

2

v v vdp p L

dT RT

Está es conocida como la ecuación Clausius-Claypeyron.

Si asumimos que vL es una constante, podemos re arreglar e integrar la Ecuación 2-3,

BORRADOR

45

Ecuación 2-4

2

v v

v

dp L dT

p R T

Resultando en

Ecuación 2-5

1ln ,v

v

Lp C

R T

donde C es la constante de integración, o

Ecuación 2-6

2

2 1 2

1 1ln v v

v

p L

p R T T

donde los subíndices 1 y 2 indican diferentes condiciones de temperatura y presión.

La Ecuación 2-5 indica que la línea recta resulta cuando el logaritmo de la presión de

vapor es dibujada contra el reciproco de la temperatura absoluta. La pendiente de esta

línea es vL R y la intercepción es C.

EJEMPLO 2 – 1: Dibuje la presión de vapor de la n-hexano de forma que resulte en

una línea recta.

Temperatura ºF

Presión de Vapor del n-hexano,

psia

155.7 14.7 199.4 29.4 269.1 73.5 331.9 147.0 408.9 293.9 454.6 435.0

SOLUCIÓN:

Vea la Figura 2-6.

Esta es una aplicación de la teoría que encontrara usted a lo largo de toda su carrera

profesional. Muchas veces comenzamos con principios básicos y derivan en

ecuaciones a través del uso de manipulaciones matemáticas. A menudo, las

ecuaciones resultantes no son usadas para hacer cálculos pero son simplemente

usadas para indicar un método para manejar datos. En este caso la ecuación provee

un método de dibujar la presión de vapor asiendo que resulte en una línea recta.

BORRADOR

46

Figura 2-6 Presiones de Vapor del n-hexano. Solución al Ejemplo 2 – 1 (Datos de Stull, Ind. & Ing. Quim., 39, 517, 1947.)

Grafica Cox

La suposición de que el calor de vaporización es constante no es necesariamente

valida. Además, a temperaturas cercanas de la temperatura critica, la suposición sobre

el volumen molar del líquido es inválida. Así, un gráfico de presión de vapor del tipo

dado en la Figura 2-6 usualmente resulta en una línea con una cierta curvatura sobre

un rango grande de temperatura.

Este problema fue resulto al graficar el logaritmo de la presión de vapor contra una

escala arbitraria de temperatura que está relacionada con el reciproco de la

temperatura absoluta. La escala de temperatura fue construida al dibujar una línea

recta sobre la gráfica y ajustar la temperatura haciendo que a la presión de vapor del

agua le corresponda una línea recta. Este grafico modificado de la presión de vapor es

conocido como la Gráfica Cox.

La presión de vapor de la mayoría de los hidrocarburos será graficado como líneas

rectas en está gráfica. Las Gráficas Cox para parafinas normales y parafinas

isoméricas son dando en la Figura 2-7 y Figura 2-8. El punto en cada línea de presión

de vapor indica el punto crítico. La línea de presión de vapor debería no extenderse

hacia temperaturas más altas que la de la temperatura critica. Sin embargo, estas

líneas han sido extrapoladas pasando la temperatura crítica debido a que ciertos

cálculos de aproximación requieren el uso de presión de vapor artificialmente

extrapoladas.

BORRADOR

47

Figura 2-7 Presiones de Vapor de parafinas normales (del Manual de Ingeniería del Gas Natural por Katz et al. Copyright 1959 por McGraw – Hill Book Co. Usado

con el permiso de McGraw – Hill Book Co.)

BORRADOR

48

Figura 2-8 Presiones de vapor de parafinas isoméricas. (del Manual de Ingeniería del Gas Natural por Katz et al. Copyright 1959 por McGraw – Hill Book Co. Usado

con el permiso de McGraw – Hill Book Co.)

BORRADOR

49

Diagrama Presión – Volumen para una sustancia pura

El resultado de los procesos descritos en la Figura 2-2 pueden ser presentados en la

forma de un diagrama de presión – volumen. La Figura 2-9 muestra dos isotermas de

un diagrama típico presión – volumen para una sustancia pura. Procesos 1 – 3 y 4 – 5

corresponden a los procesos indicados en la Figura 2-3.

Considere un proceso comenzando en el punto 1 con una sustancia en la fase líquida.

La temperatura se mantiene constante y el volumen se incrementa al remover

mercurio. Esto es debido a que los líquidos son relativamente incompresibles.

Cuando la presión es reducida a la presión de vapor, vp , se comienza a formar el gas

e incrementos adicionales en el volumen causan la vaporización del líquido. Esto

continua a presión constate hasta que todo el líquido es vaporizado. El punto 2 sobre

la Figura 2-3 es una línea recta horizontal sobre la Figura 2-9. Esto muestra que si la

presión se mantiene constante tanto como el líquido y gas permanezcan a temperatura

constante. Luego de que todo el líquido es vaporizado, el incremento continuado en el

volumen causa la expansión del gas y la reducción de la presión a 3p . Desde que el

gas es altamente compresible, la pendiente de la isoterma es mucho menos inclinada

en la región de gas que en la región de líquido.

Figura 2-9 Diagrama típico de presión – volumen de una sustancia pura

mostrando dos isotermas: 13 bajo la temperatura crítica, 45 sobre la

temperatura crítica.

La línea 45 sobre la Figura 2-9 ilustra el mismo proceso a una temperatura arriba de la

temperatura critica de la sustancia. La línea muestra que es simplemente una

expansión de la sustancia y no ocurre un cambio de fase abrupto.

Presión de burbuja y presión de rocío

De nuevo, considere la expansión a temperatura constante ilustrada por la línea 13

sobre la Figura 2-9. El punto al cual las primeras moléculas dejan el líquido y forman

una pequeña burbuja de gas es llamado Punto de Burbuja. El punto al cual solo una

pequeña gota de líquido permanece es conocido como el punto de rocío. El punto de

burbuja y el punto de rocío son mostrados por los cambios bien definidos de la

BORRADOR

50

pendiente a lo largo de la isoterma. Para una sustancia pura, la presión a la cual el

punto de burbuja y el punto de rocío son iguales a la presión de vapor de la sustancia

a la temperatura de interés.

Sobresaturación

La muestra un diagrama presión volumen casi completo. La línea discontinua el lugar

geométrico de todos los puntos de burbuja y puntos de rocío. El área entre las líneas

punteadas indican las condiciones a las cuales gas y líquido coexisten. A menudo está

área es llamada sobresaturación. La línea de punto de burbuja y el punto de rocío

coinciden en el punto crítico. Note que la isoterma a la temperatura critica muestra un

punto de inflexión horizontal a medida que pasa por la presión critica.

Figura 2-10 Diagrama presión – volumen del etano. (Datos de Brown et al, Gasolina natural e hidrocarburos volátiles, NGAA, Tulsa, 1947)

EJEMPLO: 2 – 2: Use la Figura 2-10 para estimar la presión y temperatura critica del

etano. Además estime los volúmenes específicos del etano líquido y gas a 70ºC.

Solución:

90º y 710 , punto C, Figura 2-10.c cT F p psia

3

de líquido a 70ºF 0.047 ftlbv

3

de gas a 70ºF 0.178 , isoterma 70ºF, Figura 2 - 10ftlbv

Diagrama Densidad – Temperatura para una Sustancia Pura

La forma de un diagrama típico densidad – temperatura es dado en la Figura 2-11. La

línea muestra las densidades del líquido y gas que coexisten en la región de dos

fases. A menudo estos son llamados densidades saturadas. Note que las densidades

del líquido y el gas son idénticas en el punto crítico.

BORRADOR

51

Figura 2-11 Diagrama típico densidad – temperatura para una sustancia pura.

La densidades medias del líquido y el gas se grafican como una línea recta que pasa

sobre el punto crítico. Está propiedad es conocida como la Lay de los Diámetros

Rectilíneos. La línea segmentada sobre la Figura 2-11 muestra estas densidades

promedio.

La da las densidades saturadas para un número de sustancias de interés para el

ingeniero petrolero.

Figura 2-12 Densidades de un fluido saturado. (Datos de Brown et al, Gasolina natural e hidrocarburos volátiles, NGAA, Tulsa, 1947, 48, con permiso)

BORRADOR

52

Mezclas de dos componentes

Ahora consideraremos el comportamiento de las fases de una mezcla de dos

componentes. El ingeniero petróleo no trabaja normalmente con sistemas de dos

componentes; usualmente mezclas que consisten de muchos componentes son

encontrados. Sin embargo, es instructivo el observar las diferencias en el

comportamiento de las fases entre la mezcla de dos componentes y el de una

sustancia pura. Estas diferencias son ampliadas en mezclas multicomponentes.

Ahora primero consideraremos los diagramas de fase. Luego definiremos el punto

crítico para una mezcla de dos componentes. Esta será la definición correcta para

mezclas multicomponentes. Además, miraremos a un importante concepto llamado

condensación retrógrada. Luego será discutido el diagrama presión – volumen y las

diferencias entre sustancias puras y mezclas de dos componentes en la región de dos

fases será ilustrada. Finalmente, los efectos de temperatura y presión sobre la

composición del líquido y el gas coexistente serán ilustrados.

Diagrama de fases de mezclas de dos componentes

El comportamiento de una mezcla de dos componentes no es tan simple como el

comportamiento de una sustancia pura. En vez de una línea simple representando la

presión curva de presión de vapor, hay una gran región donde las dos fases coexisten.

Está región es llamada sobresaturación, sobre fase o la región de dos fases. La Figura

2-13 muestra la forma típica del diagrama de fases para una mezcla de dos

componentes. La región de dos fases del diagrama de fases está unida por un lado

por la línea del punto de burbuja y por el otro lado por la línea del punto de rocío. Las

dos líneas se unen en el punto crítico.

Figura 2-13 Diagrama típico de una mezcla de dos componentes con una línea de

expansión isotérmica, 12

Punto de burbuja y punto de rocío

Considere una expansión a temperatura constante ilustrada sobre la Figura 2-13 por la

línea 12 . A la presión 1p la mezcla es un líquido. A medida de que decrementa la

presión, el líquido se expande hasta que la preison alcanza un punto en el cual un par

BORRADOR

53

de moléculas son capaces de dejar el líquido y formar una pequeña burbuja de gas.

Este es el punto de burbuja. La presión a la cual la primer burbuja de gas es la presión

de punto de burbuja, bp .

A medida que la presión disminuye debajo de la presión de burbuja, aparece más gas.

Finalmente, solo una pequeña cantidad de líquido permanece. Este es el punto de

rocío. La presión en este punto es conocida como la presión de punto de rocío, rp .

Una reducción adicional de la presión al punto 2 simplemente causa una expansión del

gas.

Figura 2-14 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con líneas de presión de vapor de los dos componentes puros.

El punto crítico

La definición del punto crítico que es aplicada para una sustancia pura no se aplica a

una mezcla de dos componentes. En una mezcla de dos componentes, líquido y gas

pueden coexistir a temperaturas y presiones mayores que la temperatura y presión

crítica. Ahora vemos que la definición del punto crítico es simplemente el punto al cual

la línea de punto de burbuja y el de punto de rocío se unen. Una definición más

rigurosa del punto crítico es que es el punto al cual todas las propiedades del líquido y

el gas se vuelven idénticas.

La Figura 2-14 muestra la presión de vapor de los dos componentes de la mezcla

superpuesta sobre el diagrama de fase de la mezcla. La sobresaturación para la

mezcla yace entre las líneas de presión de vapor de los dos componentes. Sin

embargo, la presión crítica de la mezcla está arriba de la presión crítica de los dos

componentes. La presión crítica de la mezcla de dos componentes usualmente es más

alta que la presión critica de cualquiera de los componentes.

La Figura 2-15 muestra datos de fase ara ocho mezclas de metano y etano a lo largo

de las líneas de presión de vapor para metano puro y etano puro. Nuevamente,

observe que la sobresaturación de cada una de las mezclas yace entre la línea de

presión de vapor de las dos sustancias puras y la presión crítica de la mezcla yace

sobre las presiones críticas de los componentes puros. La línea segmentada es el

lugar geométrico de los puntos críticos de las mezclas de etano y metano.

BORRADOR

54

Figura 2-15 Diagrama de fases de una mezcla de etano y metano.

EJEMPLO 2 – 3: Determine la temperatura y presión crítica de una mezcla de 50.02%

molar de metano y 49.98% de etano. Además determine el punto de burbuja y el punto

de rocío de esta mezcla a -20F.

Solución:

15º y 975 , línea 6, Figura 2-15.c cT F p psia

842 , 339 a -20ºF, línea 6, Figura 2-15.b dp psia p psia

El lugar geométrico de sistemas binarios compuestos de hidrocarburos parafínicos

normales es mostrado en la Figura 2-16. Obviamente, las presiones críticas de

mezclas son considerablemente más altas que las presiones críticas de los

componentes de la mezcla. De hecho, una gran diferencia en el tamaño de las

moléculas de los componentes causa que la mezcla tenga muy grandes presiones

críticas.

Cricondenterm y cricondenbar

La mayor temperatura en la sobresaturación es llamada cricondenterm. La mayor

presión sobre la sobresaturación es llamada cricondenbar. Estas condiciones son

ilustradas en la Figura 2-17. BORRADOR

55

Figura 2-16 Foco critico de mezclas binarias n – parafinarias.

Figura 2-17 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con definiciones de la cricondenbar y cricondenterm

EJEMPLO 2 – 4: determine la cricondenterm y la cricondenbar de una mezcla de

50.02% molar de metano y 48.98% de etano.

Solución:

BORRADOR

56

cricondenterm 24º , cricondenbar esta muy cerca de la preison critica de 975 psia,

linea 6, Figura 2 - 15

F

Condensación retrógrada

Otra característica de un sistema es ilustrado sobre la Figura 2-18. Recuerde que para

una sustancia pura una disminución en la temperatura causa un cambio de fase del

líquido a gas a la línea de presión de vapor. Asimismo, en el caso de un sistema de

dos componentes una disminución de la presión causa un cambio de fases de líquido

a gas a temperaturas debajo de la temperatura crítica. Un ejemplo de es el proceso 1

– 2 sobre la Figura 2-13.

Figura 2-18 Diagrama de fases típico de una mezcla de dos componentes con

línea de expansión isotérmica, 123 , en la región retrograda.

Sin embargo, considere la disminución isotérmica de la presión ilustrada por la línea

123 sobre la Figura 2-18. Como la presión disminuyo del punto 1, la línea de punto de

rocío es cruzada y el líquido se comienza a formar. En la posición indicada por el

punto 2, el sistema es 25% líquido por volumen y 75% gas. Una disminución en la

presión ha causado un cambio de gas a líquido. Esto es exactamente el inverso del

comportamiento que uno esperaría, debido al nombre de condensación retrograda. A

medida que la presión disminuye del punto 2 hacia el punto 3, la cantidad de líquido

disminuye, la línea de punto de rocío es cruzada de nuevo y el sistema se convierte en

gas.

Note que un punto de rocío superior y un punto de rocío más bajo existen. El punto de

rocío más alto a veces es llamado punto de rocío retrógrado.

La región de condensación retrograda ocurre a temperaturas entre la temperatura

crítica y el cricondenterm. Una situación similar de condensación retrograda cuando la

temperatura es cambiada a presión constante entre la presión crítica y la cricondenbar.

EJEMPLO 2 – 5: Determine el rango de temperatura en el cual la condensación

retrograda ocurrirá para una mezcla de 50.02% molar de metano y 49.98% de etano.

Solución:

BORRADOR

57

La condensación retrograda ocurrirá a temperaturas entre la temperatura crítica, 15ºF

y la cricondenterm, 24ºF.

Diagrama presión – volumen para una mezcla de dos componentes

La Figura 2-19 muestra una isoterma simple sobre un diagrama de presión – volumen

para una mezcla de dos componentes con una composición constante en conjunto. La

característica que distingue este diagrama desde un diagrama presión - volumen de

una sustancia pura, Figura 2-9, es que si la presión disminuye cuando el proceso pasa

del punto de burbuja al punto de rocío. La línea del punto de burbuja al punto de rocío

no es horizontal y no es necesariamente recta. La disminución en la presión es

causada por cambios en las composiciones del líquido y el gas mientras el proceso

pasa por la región de dos fases.

En el punto de burbuja, la composición del líquido es esencialmente igual a la

composición global de la mezcla, pero la cantidad infinitesimal de gas es más rica en

componentes más volátiles. De la misma manera, en el punto de rocío la composición

del vapor es esencialmente a la composición general del sistema y la cantidad

infinitesimal de líquido es más rica en componentes menos volátiles. Los cambios que

en la pendiente de la línea en el punto de burbuja y el punto de rocío no son tan

angulosas que para una sustancia pura.

Figura 2-19 Diagrama típico presión – volumen de una mezcla de dos componentes mostrando una isoterma bajo la temperatura crítica

La Figura 2-20 muestra un diagrama de presión – volumen para una mezcla de n-

pentano y n-heptano, mostrando varias isotermas y la envolvente de saturaciones.

Note que a temperaturas bajas los cambios en la pendiente de las isotermas el punto

de rocío casi no existe. Además note que el punto crítico no está en el tope de la

envolvente de saturación como lo fue para sustancias puras.

EJEMPLO 2-6: considere una mezcla de 47.6% en peso de n-pentano y 52.4% de h-

heptano. Estime el volumen específico del líquido en su punto de burbuja a 400ºF.

Además estime el volumen específico del gas a su punto de rocío de 400ºF.

Solución:

V del líquido en el punto de burbuja a 400ºF y 332psia = 0.036 pies cub/lb,

BORRADOR

58

V del gas en el punto de rocío a 400ºF y 275psia = 0.249 pies cu/lb de la isoterma

400ºF de la figura 2-20.

Figura 2-20 Diagrama presión – volumen de una mezcla de 47.6% en peso de n-pentano y 52.4% n-heptano.

Figura 2-21 Diagrama presión – composición típica para una mezcla de dos

componentes con una línea de unión 123

Diagrama de composiciones

Una serie de experimentos de laboratorio con una sustancia pura (mostrada en la

Figura 2-2) resultara en datos para presión, temperatura y volumen. Una serie similar

de experimentos con sistemas de dos componentes resultara en datos para variables

adicionales. La composición general de la mezcla, la composición del equilibrio líquido

y la composición del gas en equilibrio son todas importantes. Por lo tanto, en adición a

BORRADOR

59

graficar combinaciones de temperatura, presión y volumen; gráficos adicionales con

estas variables dibujadas contra composición son posibles.

Diagramas de presión – composición para mezclas de dos componentes

La Figura 2-21 da un diagrama típico presión – composición para una mezcla de dos

componentes a una temperatura simple. Combinaciones de composición y presión que

dibujan sobre la envolvente indicando condiciones a las cuales la mezcla es

completamente líquida. Combinaciones de composición y presión que son dibujadas

bajo de la envolvente indican condiciones a las cuales la mezcla es gas. Cualquier

combinación de presión y composición que se dibujan dentro de la envolvente indican

que en la mezcla existe en dos fases, gas y líquido. El punto de burbuja y el punto de

rocío tienen las mismas definiciones que han sido previamente discutidas.

La línea de punto de burbuja es además el foco de composiciones del líquido cuando

dos fases están presentes. La línea de punto de rocío es el foco de composiciones

donde cuando el gas y el líquido están en equilibrio. La línea que une la composición

del líquido con la composición del gas en equilibrio es conocida como una línea de

equilibrio atado. Línea de atar son siempre horizontales para mezclas de dos

componentes.

Figura 2-22 Diagramas presión-composición isotérmicos de mezclas de metano y etano.

Considere una mezcla de composiciones representada por el punto 1 es traída al

equilibrio a la presión indicada y la temperatura del diagrama. La composición del

equilibrio líquido es indicado por el punto 2 y la composición del gas en equilibrio es

dado por el punto 3.

BORRADOR

60

La línea de unión puede tambien ser usada para determinar las cantidades del gas y

liquido presentadas en el punto 1. El largo de la línea 12 dividida por el largo de la

línea de unión, 23 , es la proporción de moles de gas y el total de moles de la mezcla.

El largo de la línea, 13 dividida por el largo de la línea 23 es la proporción de moles

de líquido y el total de moles de la mezcla.

La Figura 2-22 muestra diagramas presión – composición para mezclas de metano y

etano. Hay cuatro envolventes correspondiendo a cuatro temperaturas diferentes.

La esquina del diagrama etiquetado 100% molar de metano representa las presiones

de vapor del metano. La esquina del diagrama etiquetado cero por ciento de metano

da las presiones de vapor del etano.

Cuando la temperatura excede la temperatura crítica de un componente, la envolvente

de saturación no va a través de todo el diagrama; en vez, el punto de burbuja y el

punto de rocío se unen en el punto crítico. Por lo tanto, cuando la temperatura crítica

de una mezcla de metano y metano es menor a 100ºF, la presión crítica es de 750psia

y la composición de la mezcla crítica es 95% molar de metano y 5% de etano.

Note que el foco de los punto críticos conectan la presión crítica del etano, 708psia, a

la presión crítica del metano, 668psia. Cuando la temperatura excede la temperatura

crítica de ambos componentes, no es posible para ninguna mezcla de los dos

componentes el tener dos fases.

EJEMPLO 2 – 7: Determine las composiciones y cantidades de gas y líquido formado

cuando 3lb mol de una mezcla de 70% molar de metano y 30% de etano son traídos al

equilibrio a -100ºF y 400psia.

Solución

Primero, dibujar la línea de 70% molar de metano y 400psia sobre la envolvente de

saturación para -100ºF en la Figura 2-22. Segundo, dibujar la línea de unión (vea la

Figura 2-23) y leer la composición del equilibrio líquido sobre el punto de burbuja y la

composición del gas en equilibrio sobre la línea de punto de rocío.

Componentes Composición del líquido,

porcentaje molar Composición del gas,

porcentaje molar

Metano 52.2 91.8 Etano 47.8 8.2

100 100

Tercero, calcular las fracciones de gas y líquido del largo de la línea de unión.

70.0 52.2fraccion de gas 0.45

91.8 52.2

91.8 70.0fraccion de líquido 0.55

91.8 52.2

gas

total

liquido

total

lb mol

lb mol

lb mol

lb mol

cantidad de gas 0.45 3 1.35

cantidad de liquido 0.55 3 1.65

gas

liquido

lb mol lb mol

lb mol lb mol

BORRADOR

61

Figura 2-23 Solución al ejemplo 2 – 7

Diagramas temperatura-composición para mezclas de dos componentes

Diagramas temperatura-composición para mezclas de metano y etano son dados en la

Figura 2-24. Seis envolventes de saturación correspondientes con seis presiones

diferentes son mostradas.

La línea inferior de la envolvente de saturación es la línea del punto de burbuja, y la

línea superior es la línea del punto de rocío. Condiciones de composición-temperatura

que se dibujan de la envolvente de saturación indican que esa mezcla es enteramente

líquida.

Cuando la presión es menor que las presiones criticas de ambos componentes, las

líneas del punto de burbuja y el punto de rocío se unen a la presión de vapor de los

componentes puros a cualquier lado del diagrama. Cuando la presión excede la

presión crítica de uno de los componentes, la línea del punto de burbuja y la línea de

punto de rocío se unen en un punto crítico. Por lo tanto, una mezcla de 98% molar de

metano y 2% de etano tiene su temperatura crítica a menos 110ºF a una presión

crítica de 700psia.

Cuando la presión de interés excede la presión crítica de ambos componentes, la

envolvente de fases exhibe dos puntos críticos. Por lo tanto, mezclas de metano y

etano exhiben puntos críticos a 900psia y menos 62ºF y a 900psia y 46ºF.

BORRADOR

62

Figura 2-24 Diagramas isobáricos temperatura-composición de mezclas de etano y metano.

Las líneas de unión que dan las composiciones de líquido y gas en equilibrio son de

nuevo horizontales. La línea de punto de burbuja da la composición del equilibrio

líquido y la línea de punto de rocío da la composición del equilibrio gas. Los largos de

las líneas de unión representan las cantidades de gas líquido en equilibrio de la misma

manera que para el diagrama presión-composición.

Mezclas de tres componentes

Diagramas de fase composicionales para mezclas de tres componentes deben ser

dibujadas de tal manera que las composiciones de los tres componentes pueden ser

exhibidos. Los diagramas formados para triángulos equiláteros son convenientes para

este propósito. Estos son llamados diagramas ternarios. BORRADOR

63

Figura 2-25 Diagrama ternario

Diagramas ternarios

La Figura 2-25 muestra un diagrama ternario. Cada esquina del triángulo corresponde

a un 100% de uno solo de los componentes. La convención usual es el de dibujar los

componentes más livianos en la parte superior y el componente más pesado en la

parte inferior izquierda. Cada lado del triángulo representa mezclas de dos

componentes. Por lo tanto, el lado izquierdo del triángulo representa todas las mezclas

posibles de componentes más liviano y el más pesado. Puntos dentro del triángulo

representan mezclas de tres componentes. La composición es graficada usualmente

en términos de la fracción molar o porcentaje molar. Para un diagrama simple, presión

y temperatura son constantes; solo la composición cambia.

El punto 1 sobre la Figura 2-25 representa puro del componente B. El punto 2

representa una mezcla de 30% molar del componente A y 70% del componente C. El

punto 3 representa una mezcla que consiste de 50% molar de componente A, 30% del

componente B y 20% del componente C. La composición representada por el punto 3

es determinada de mejor manera al imaginar tres líneas del punto 3 perpendiculares a

los lados del diagrama triangular. El largo de la línea 43 representa la composición del

componente A en la mezcla. El largo de la línea 53 representa la composición del

componente B y el largo de la línea 63 representa la composición del componente C.

La línea 21 representa un proceso de interés para el ingeniero petrolero. Como hemos

visto, el punto 2 representa la composición de la mezcla del componente A y el

componente C sin que haya componente B presente. La línea 12 representa las

composiciones de todas las mezclas formadas por la adición del componente B a la

mezcla original de componentes A y C. por lo tanto, el punto 7 representa una mezcla

de partes iguales de la mezcla original de A y C más el componente B. La composición

es 50% componente B, 15% componente A y 35% componente C. La proporción de

los componentes A y C, 15:35, es la misma proporción de A a C en la mezcla original,

30:70.

Diagramas de fase de tres componentes

La FIGURA 2-26 muestra un diagrama de fases típico de tres componentes.

BORRADOR

64

El metano es el componente más liviano y está dibujado en la parte superior. Así la

línea de punto de rocío yace a lo largo de la parte superior de la envolvente de

saturaciones y el punto de burbuja yace a lo largo del fondo. Este diagrama es para

una presión y temperatura simple. Las líneas de unión son rectas pero no horizontales,

como lo fueron para el caso de los diagramas de dos componentes. En el caso de las

mezclas de tres componentes, las líneas de unión deben ser determinadas

experimentalmente y dadas sobre el diagrama.

El punto 1 presenta una mezcla de metano, propano y n-pentano que exhibe un

equilibrio gas y líquido a la temperatura y presión indicadas por el diagrama. El punto 2

representa la composición del equilibrio líquido. La cantidad de gas, en fracción de

moles totales de la mezcla completa, es representada por el largo de la línea 13

dividida por el largo de la línea 23 . La cantidad de líquido en términos de fracción de

moles totales de la mezcla completa es representada por la línea 12 dividida por el

largo de la línea 23 .

Figura 2-26 Diagrama de fase ternario de mezclas de metano, propano y n-

pentano a 500psia y 160ºF con línea de equilibrio, 123

EJEMPLO 2-8: Determine las composiciones y cantidades de gas y líquido en

equilibrio cuando 6 lb-mol de una mezcla de 50% molar de metano, 15% de propano y

35% molar de n-pentano traídos al equilibrio a 160ºF y 500psia.

Solución:

Primero, graficar la composición de la mezcla sobre el diagrama ternario para una

presión y temperatura dada, (vea la Figura 2-26, punto 1).

Segundo, leer la composición del gas en equilibrio al punto donde la línea de unión a

través del punto 1 conecta con la línea del punto de rocío. Vea el punto 2.

14 Porciento molar de propano 12 Porciento molar de n-pentano

100 Porcentaje molar Tercero, lea la composición del líquido en equilibrio en el punto donde la línea de unión

a través del punto 1 conecta con la línea de punto de rocío. Vea el punto 3.

BORRADOR

65

Composición del líquido 13 Porciento molar de metano 17 Porciento molar de propano 70 Porciento molar de n-pentano

100 Porcentaje molar Cuarto, calcule la fracción de la mezcla que es gas:

0.65 lg lb mol de gasfraccion de gas 0.607

1.07 lg lb mol total

pu

pu

Y cantidad de gas

cantidad de gas 0.607 6 lb mol 3.6lb mol

Quinto, calcular la fracción de la mezcla que es líquido

0.42 lg lb mol de liquidofraccion de liquido 0.393

1.07 lg lb mol total

pu

pu

Y cantidad de liquido

cantidad de gas 0.393 6 lb mol 2.4lb mol

Figura 2-27 Diagrama de fase ternario de una mezcla de metano, propano y n-pentano a 1500psia y 160ºF.

La Figura 2-27 es la envolvente de saturaciones para una mezcla de metano, propano

y n-pentano a la misma temperatura que de la Figura 2-26 pero a una presión mayor.

El punto de burbuja y el punto de rocío se unen en el punto crítico. El punto crítico da

la composición de la mezcla, que tiene su presión crítica en 1500psia y su temperatura

crítica a 160ºF.

La Figura 2-28 muestra las varias posiciones de las envolventes de saturación que las

mezclas de metano, propano y n-pentano pueden tomar a 160ºF mientras la presión

es incrementada desde la presión atmosférica a 2350psia. Viendo las mezclas binarias

mostradas en la Figura 2-29 ayudaran a entender las razones por los cambios en las

formas de las envolventes de saturación mientras la presión es incrementada. El

BORRADOR

66

número de puntos sobre la Figura 2-29 corresponde a los diagramas numerados de la

Figura 2-28.

Figura 2-28 Diagrama de fases ternario de mezclas de metano, propano y n-pentano a 160ºF y varias presiones, mostrando los cambios típicos en las

formas de los diagramas mientras la presión cambia.

BORRADOR

67

Figura 2-29 Presiones de vapor del metano, propano y n-pentano con un foco crítico de mezclas binarias.

A presión atmosférica, todas las mezclas de estos componentes serán gas. Vea la

Figura 2-28 (1). La temperatura está sobre la temperatura crítica del metano y la

presión atmosférica está muy debajo de la presión de vapor del propano y el n-

pentano a 160ºF.

Considere una presión sobre la presión de vapor del n-pentano y debajo de la presión

de vapor de propano, por lo tanto, 2000psia. Vea el punto 2 sobre la Figura 2-29 y la

Figura 2-28(2). Todas las mezclas de metano y propano son gas. Ambos, metano y n-

pentano binaria y propano-n-pentano binaria están en su región de dos fases. Sus

composiciones de punto de burbuja y punto de rocío aparecen a los lados del

diagrama ternario al final del punto de burbuja y el punto de rocío de las mezclas

ternarias.

A la presión de vapor del propano, 380psia a está temperatura, el punto de burbuja y

el punto de rocío de la envolvente de saturaciones convergen al 100$ de propano. Sea

el punto 3 sobre la Figura 2-29 y Figura 2-28(3). La única mezcla binaria que exhibe

comportamiento de dos fases son aquellas de metano y n-pentano.

A presiones sobre la presión de vapor del propano y menores que el locus de mezclas

de metano y n-pentano, por lo tanto 500psia, punto 4, las mezclas binarias de metano-

propano y propano-n-pentano son completamente líquido. As como se muestra en la

envolvente de saturación en la Figura 2-28(4).

El punto crítico de una mezcla específica de metano y propano ocurre a 1040psia a

esta temperatura, punto 5. Las líneas del punto de rocío y el punto de burbuja

intersectan el lado del diagrama del metano-propano a la composición de este punto

crítico.

Sobre esta presión, punto 6, todas las mezclas de metano-propano son de una sola

fase. Así solo las mezclas binarias metano-n-pentano tienen un comportamiento de

dos fases y solo el lado del metano-n-pentano del diagrama ternario pueden mostrar

un punto de burbuja y un punto de rocío. Las líneas de punto de burbuja y el punto de

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rocío de la envolvente de saturaciones no interceptan otro lado del diagrama, en vez

las dos líneas se unen en el punto crítico, la composición de la mezcla de tres

componentes tiene su punto crítico a 1500psia a 160ºF.

A medida que la presión es incrementada, el tamaño de la región de dos fases

disminuye, Figura 2-28(7), hasta que la presión crítica de una mezcla de metano-

pentano es alcanzada, 2350psia a está temperatura, punto 8. A está presión y al todas

las presiones mayores, todas las mezclas de metano, propano y n-pentano son de una

sola fase.

Figura 2-30 Diagrama de fases pseudoternario de mezclas de un petróleo sintético con oxido de carbono. El petróleo es representado como una mezcla de

metano y etano plus.

Usos de los diagramas ternarios

Un uso común de los diagramas de fase de tres componentes es en un análisis del

desplazamiento miscible. Por lo tanto, la Figura 2-30 da la envolvente de un petróleo

con dióxido de carbono. El petróleo es dibujado como una mezcla artificial de dos

componentes, con metano como uno de los componentes y todos los demás

constituyentes adicionados justos como otro componente.

Otra técnica separa el petróleo en dos pseudo-componentes. Uno contiene todos los

componentes de 12 átomos de carbono o menos. El otro contiene todos los

componentes de 13 átomos de carbono o más. El dióxido de carbono es el tercer BORRADOR

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componente del diagrama. Esto es ilustrado en la

Figura 2-31 Diagrama de fase pseudo-ternario de una mezcla de petróleo separado con dióxido de carbono.

EJEMPLO 2-9: El petróleo crudo de la Figura 2-30 contiene 35% molar del metano.

¿Todas las mezclas de este petróleo con dióxido de carbono serán de una sola fase

(miscible)?

Solución

No, una línea recta del punto de 35% molar para el metano, 65% molar para el etano

plus a la cima de puro dióxido de carbono pasa a través de la envolvente de dos fases. BORRADOR

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Figura 2-32 Diagrama de fases de una mezcla de gas natural y gasolina.

Figura 2-33 Diagrama de fase de una mezcla de gas natural y gasolina

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Figura 2-34 Diagrama de fases de un fluido del reservorio.

Mezclas multicomponentes

Mientras el número y complejidad de las moléculas en una mezcla incrementa, la

separación entre las líneas del punto de burbuja y el punto de rocío sobre el diagrama

de fases se hace mayor. Varios diagramas de fase de mezclas de petróleo son

mostrados en las Figura 2-32 y Figura 2-36.

Note una variedad de presiones críticas y temperaturas críticas y las diferentes

posiciones que el punto crítico toma sobre la envolvente de saturación. Además note

las largas separaciones entre la temperatura crítica y el cricondenterm en todas las

instancias y la separación entre el cricondenbar y la presión crítica para la mezcla de

hidrocarburos más livianos en Figura 2-35 y Figura 2-36.

En el capítulo 5 intentaremos dar un sentido de una variedad de formas y tamaños de

diagramas de fase para varias mezclas de petróleo. BORRADOR

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Figura 2-35 Diagrama de fases de un fluido del reservorio.

Figura 2-36 Diagrama de fases de un fluido del reservorio

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3. Ecuaciones de Estado Un gas puede ser definido como un fluido homogéneo de baja densidad y baja

viscosidad, que no tiene una forma independiente ni volumen pero se expande para

llenar completamente el recipiente que lo contiene. Las propiedades del gas difieren

considerablemente de las propiedades de los líquidos, principalmente debido a que las

moléculas en los gases están mucho más apartadas que las moléculas en los líquidos.

Por lo tanto, un cambio de presión tiene un efecto más grande sobre la densidad de un

gas que en un líquido.

En este capítulo y en el siguiente, consideraremos varias ecuaciones de estado

usadas para describir la relación entre el volumen de un gas y su presión y

temperatura.

El gas ideal

Como un punto de partida en el estudio de las ecuaciones de estado de los gases

reales, consideraremos primero un gas hipotético conocido de un gas ideal.

Desarrollaremos la ecuación de estado de un gas ideal de dos maneras, primero de

evidencia experimental y luego de la teoría cinética. La forma de la ecuación para un

gas ideal será usada como la base de las ecuaciones para los gases reales.

Un gas ideal tiene estas propiedades.

1. El volumen ocupado por las moléculas es insignificante con respecto al

volumen ocupado por el gas.

2. No hay fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas o entre las

moléculas y las paredes del contenedor.

3. Todas las colisiones de moléculas son perfectamente elásticas, esto es, no hay

una perdida interna de energía debido a colisiones.

Veremos luego porque las moléculas de un gas ideal deben tener estas propiedades.

Ecuación de Boyle

Boyle experimentalmente observo que el volumen de un gas ideal es inversamente

proporcional a la presión para una masa dada de gas cuando la temperatura es

mantenida constante. Esto puede ser expresado como:

Ecuación 3-1

1 o constante.V pV

p

Ecuación de Charles

Un trabajo experimental no publicado atribuido a Charles permitió el descubrir que el

volumen de un gas ideal es directamente proporcional a la temperatura para una masa

dada de gas cuando la presión es mantenida constante. Simbólicamente,

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Ecuación 3-2

o constanteV

V TT

Ley de Avogadro

La ley de Avogadro dice que, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión,

volúmenes iguales de todos los gases ideales contienen el mismo número de

moléculas. Esto es equivalente a la declaración que a una temperatura dada y presión

un peso molecular de cualquier gas ideal ocupa el mismo volumen de un peso

molecular de cualquier otro gas ideal.

Hay 262.76 10 moléculas por libra mol de gas ideal.

La Ecuación de Estado para un Gas Ideal

Las ecuaciones de Boyle, Charles y Avogadro pueden ser combinadas para dar una

ecuación de estado para un gas ideal.

Debemos imaginar en proceso de dos pasos en orden de combinar la ecuación de

Charles y la de Boyle para describir el comportamiento de un gas ideal cuando ambas,

temperatura y presión son cambiadas. Comenzaremos con una masa dada de gas con

un volumen 1V a presión 1p y temperatura 1T y llegaremos a un volumen 2V a presión

2p y temperatura 2T .

Ecuación 3-3

1 1 1 1 2 1

2 2 2 2

a , Paso1 constante a ,

Paso2 constante a ,

V p T T V p T

p V p T

El primer paso es un cambio de la presión de un valor de 1p a un valor de 2p . La

temperatura es cambiada a un valor de 2T , causando que el volumen cambie a 2V . El

cambio en el volumen del gas durante el primer paso puede ser descrito a través del

uso de la ecuación de Boyle dado que la masa del gas y la temperatura es mantenida

constante. Así,

Ecuación 3-4

1 11 1 2 2

2

ó pV

pV p V Vp

donde V representa el volumen a la presión 2p y temperatura 1T .

La ecuación de Charles aplica a un cambio en el volumen de un gas durante el

segundo paso desde que la presión y la masa del gas son mantenidas constantes. Por

lo tanto,

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Ecuación 3-5

2 2 1

1 2 2

o V V TV

VT T T

La eliminación del volumen entre las Ecuación 3-4 y Ecuación 3-5 nos da

Ecuación 3-6

1 1 1 2

2 2

pV TV

p T

O

Ecuación 3-7

1 1 2 2

1 2

pV p V

T T

Así, para una masa dada de gas, pV T es una constante. Designaremos la constante

como el símbolo R cuando la cantidad de gas ideal es igual a un peso molecular.

Ecuación 3-8

MpVR

T

En este punto no sabemos si R es la misma para todos los gases ideales. Entonces

necesitaremos considerar la ley de Avogadro, que dice que un peso molecular de un

gas ideal ocupa el mismo volumen que un peso molecular de otro gas ideal a la misma

presión y temperatura. Esto es,

Ecuación 3-9

,MA MBV V

donde MAV representa el volumen de un peso molecular de gas A y MBV representa el

volumen de un peso molecular del gas B, ambos a la misma presión p y temperatura

T.

Por lo tanto, de la Ecuación 3-8

Ecuación 3-10

ó ,MA AA MA

pV R TR V

T p

Y

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Ecuación 3-11

ó MB BB MB

pV R TR V

T p

donde AR representa la constante del gas A y BR representa la constante del gas B.

la combinación de la Ecuación 3-9 , Ecuación 3-10 y Ecuación 3-11 revela que:

Ecuación 3-12

ó A BA B

R T R TR R

p p

Así, la constante R es la misma para todos los gases ideales y es llamada la constante

universal del gas.

Por lo tanto, tenemos la ecuación de estado para un peso molecular de cualquier gas

ideal,

Ecuación 3-13

,MpV RT

donde MV es el volumen de un peso molecular del gas, el volumen molar. Para n

moles de un gas ideal está ecuación se convierte en

Ecuación 3-14

,pV nRT

donde V es el volumen de n moles de gas a la temperatura T y presión p. Desde que n

es la masa de gas dividida por el peso molecular, la Ecuación 3-14 puede ser escrita

como

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