diagrama de diagrama de fases para los fases para los hidrocarburos

Diagrama de Diagrama de Fases Para los Fases Para los Hidrocarburos Hidrocarburos

Cálculos de las Fases, Para Sistemas: Vapor – Líquido.

El cálculo de las fases tiene múltiples aplicaciones en la industria petrolera, por ejemplo en el diseño de separadores (gas- petróleo Definición de Sistema Termodinámico Un sistema se define, como cualquier parte del universo, que se toma en forma arbitraria, para realizar un estudio determinado.

a.- Homogéneo, es aquel cuyas propiedades intensivas varían continua y uniformemente en el sistema

b.- Heterogéneo. Aquí las propiedades intensivas cambian en forma brusca en la superficie de contacto del sistema.

Clasificación de los Sistemas Termodinámicos

a.- Sistemas Abiertos

b.- Sistemas Cerrados.

Estos sistemas se pueden dividir en:

1.- Sistemas No Aislados

2.- Sistemas Aislados Marzo 2006

Caracterización de los Sistemas:

Los sistemas se caracterizan por tener una serie de propiedades: a.- Propiedades Extensivas Son aquellas propiedades que depende de la masa total del sistema b.- Propiedades Intensivas: Son aquellas propiedades que varían de punto a punto del sistema o bien no dependen de la masa total Estado de un Sistema Definición de Fases Una fase se define como un estado de la materia completamente

homogéneo y uniforme SÓLIDA⇔LIQUIDA⇔ GASEOSA PLASMA⇔VIDRIO⇔ CRISTAL LIQUIDO Marzo 2006

Estudio de las Fases:

a.- Interfase

b.- Componente

El número de componentes de una especie en una fase se define como la menor cantidad de especies químicamente independiente necesario para describir la composición de cada fase del sistema: En función del número de componentes los sistemas se clasifican en:

a.- Sistema Monofásico de Varios Componentes que no Reaccionan b.- Sistema Monofásico de Varios Componentes que Reaccionan c.- Sistema Bifásico El principal objetivo del estudio de las fases es llegar a predecir, la composición y las cantidades de las fases en equilibrio del sistema, a cualquier presión y temperatura. En general el estudio del comportamiento de fases se divide en 2 partes:

Diagramas de Fases

a.- Análisis de Diagramas de (P-T); (P-V); (P-X)

b.- Estudio y desarrollo de fórmulas y métodos que permitan calcular la composición (X) y las cantidades de las fases de un sistema, a una presión y temperaturas dadas.

Regla de las Fases de Gibbs A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema F= C+2-P Comportamiento Cualitativo de las Fases Una de las formas de mayor precisión del estudio cualitativo de los sistemas de hidrocarburos es a través de los diagramas de fases. Por medio, de los cuales puede conocerse el estado del fluido a determinadas condiciones de presión y temperatura. Marzo 2006

En la figura 1 se observa la presencia del estado sólido, líquido y gas

Diagrama de Fases Monocomponente

La gráfica se puede deducir que entre la fase sólida y líquida se encuentra la Curva de Fusión, mientras que entre las fases líquido- gas (vapor) se encuentra la curva de vaporización

DIAGRAMA DE FASES DE HIDROCARBURO

La velocidad de transferencia de cada especie depende de la separación del sistema respecto al equilibrio. El tratamiento cuantitativo de la velocidad de transferencia de masa requiere del conocimiento de los estados de equilibrio (T, P y composición) Diagrama de Fases: Por definición se dice que los diagrama de fases son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones La información que se puede obtener de los diagramas de fases es:a.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio)

b.-Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro

c.-Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

d.-Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Diagrama de Fases de Sustancias Puras Una sustancia pura como el agua puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión Diagrama de Fases Para Hidrocarburos. Estos son de gran utilidad, para el estudio del comportamiento de los hidrocarburos, en especial para el sistema líquido – vapor o líquido- gas. Análisis de los Diagramas de Fases: En la figura 2. se muestra diagrama de fases típico para equilibrios Líquido- Vapor. un

Figura 2 Diagrama de fase presión- temperatura

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El gráfico de la figura 2 representa una típica situación de un equilibrio de las fases (Líquido - Vapor) de un sistema monocomponente puro En este caso la ecuación de la Regla de las Fases queda: F + P =3 En la figura 2 se observa: a.- La curva que termina en el punto (1) es el punto crítico del sistema. b.-La zona de la gráfica identificada como (L) y G. La ecuación de la Regla de las Fases es F+P=2. En la regiones bifásicas el estado del sistema no se puede fijar por la temperatura y presión, sino que queda fijado con el volumen específico () Un estado en que comienza a termina un cambio de fase se denomina Estado de Saturación

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Análisis de los Diagrama de Fases: El análisis del diagrama permite establecer algunas conclusiones Se observa que una vez fijada la temperatura, existe una sola presión de coexistencia entre las dos fases. A presiones mayores a ésta, todo el sistema se encuentra en la fase líquida. Mientras, que si la presión se hace menor al punto señalado todo el sistema se encuentra en fase gaseosa. Cuando se varía en forma isotérmica la presión de un fluido que se encuentra a temperaturas superiores a la temperatura crítica, no se observan cambios de fase en el sistema, por mucho que se aumente o disminuya la presión Tampoco es posible separar una fase líquida por enfriamiento de un fluido a presiones por encima de la presión crítica.

b.- Sistema de 2 Componentes. Si se aplica la regla de las fases la ecuación queda (F + P =4).Esto significa que dentro de la línea envolvente existen dos fases en equilibrio Marzo 2006


La composición es una nueva variable que aparecen en los diagramas de fases, y su se simbolizará como (X). En la figura 3 se presenta un diagrama de fases (P_T) para diferentes mezclas de conformadas por Etano (C2) y Heptano (C7) Figura 3 Diagrama de Presión- Temperatura para el Sistema

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DIAGRAMA DE FASES DE HIDROCARBUROEn la figura 3 se pueden observar diferentes líneas envolventes para la mezclas, las cuales depende de la composición de los componentes en la mezcla La línea de la izquierda que culmina en el punto crítico (C), corresponde a la curva de la presión de vapor del Etano puro. Mientras que la línea de la derecha que termina en el punto crítico (C7) es la curva de los puntos de la presión de vapor del Heptano. Los puntos (C1 ;C2 y C3) son los puntos críticos de las líneas envolventes. Las líneas (A1C1; A2C2 y A3C3) son las curvas de los puntos de burbujeo; mientras que los puntos (C1B1;C2B2 y C3B3) son las líneas de los puntos de roció La temperatura crítica de cualquier mezcla, debe de encontrarse entre la temperatura crítica de los componentes más livianos y más pesados, mientras que la presión crítica de la mezcla será mayor que la presión crítica de cualquiera de los componentes de la misma Al cambiar la composición de la mezcla, cambia la posición de las líneas envolventes. Si la mezcla de los componentes del diagrama tiene valores similares, en cuanto a su composición, como lo es por ejemplo la curva (A2C2B2) significa que la curva envolvente debe de cumplir con las siguientes propiedades.

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1.- El punto crítico tiene la máxima presión respecto a las presiones críticas de las mezclas posibles, mientras que la temperatura crítica de la mezcla tiene un valor no muy lejos del promedio del valor de la

temperatura crítica de los componentes puros 2.- El diagrama de fases presenta un área máxima, donde ocurren la fase líquida y de vapor 3.- A medida que un componente tiene mayor predominio composicional en la mezcla, tanto la presión, como la temperatura crítica de la mezcla, tendrán un valor cercano a la presión y temperatura crítica del componente predominante. 4.-Cuando se unen los puntos críticos de las mezclas, en un diagrama de fases (P-T) se obtiene el Lugar Geométrico de los Puntos Críticos Diagramas Presión- Volumen para los Hidrocarburos En la figura 4 se presenta un diagrama de fases Presión- Volumen molar para el sistema Pentano Normal y Heptano Normal (nC5-nC7)

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DIAGRAMA DE FASES DE HIDROCARBUROFigura 4 Diagrama Presión- Volumen para el Sistema (nC5-nC7)

En la figura 4, se puede deducir que la presión varía con el volumen molar, aumentando su valor a medida que el sistema pasa del punto de rocío al punto de burbujeo. Además el punto crítico no ocurre en el ápice de la región de 2 fases. Esto significa que puede existir vapor a presiones por encima de la presión crítica, y también puede existir líquido a temperaturas mayores que la temperatura crítica. Esto indica que en estos sistemas pueden ocurrir los fenómenos de condensación y vaporización retrógrada

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Diagramas Presión. Composición para los Sistemas Binarios: En la figura 5 se presenta un Diagrama Presión- Composición a temperatura constante.En la figura 5 se observa, que tanto las presiones en el punto de roció, como en el punto de burbujeo son una función de la composición, lo que significa que ambos parámetros, se puede presentar, en función de la fracción molar de uno de los componentes del sistema. En la

gráfica los puntos (A) y (A’) representan la presión de vapor, presión de rocío y presión de burbujeo, para los componentes puros de menor y mayor volatilidad respectivamente Figura 5 Diagrama P-X de un Sistema de dos Componentes

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En Figura 6 se presenta un diagrama temperatura – Composición a presión constante.

Figura 6 Diagrama Temperatura- Composición de un Sistema Binario Marzo 2006


En la figura se observa que por encima de la curva de rocío es todo vapor y el área por debajo de la curva de burbujeo es todo líquido. Si por ejemplo, se considera que el sistema se encuentra en la región de dos fases (H), cuya fracción molar del componente más pesado es (Z). La composición de la fases de vapor y líquido, esta dado por los extremos en la zona de dos fases de la línea horizontal a través de (H ). Para el caso de la figura 6, se tiene lo siguiente: Si la presión del diagrama es una atmosfera o 14, 7 lpca, la curva del punto de burbujeo, representa la curva del punto de ebullición normal. Las figuras 5 y 6 permiten explicar también algunos procesos que son de mucha importancia en el estudio de los componentes binarios.

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Si, por ejemplo un sistema al inicio del proceso es vapor (D) (figura 6), cuya composición es (Z). Al aumentar la presión, el sistema se comprime, al llegar la presión al punto (H), en ese punto coexisten en equilibrio el líquido y vapor y las composiciones están representadas por (X y Y). Si se aumenta más la presión se llega al punto (B), el cual se denomina punto de burbujeo. En este caso la composición del líquido es (Z) Todo lo dicho aquí es válido para la composición de las fases dentro de las líneas envolventes. Si (F) representa el número

total de moles; (L), representa la fracción del gas o vapor, mientras que (X) representa la fracción líquida se tiene que: F = L + V (1)

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Si se asume que el número total de moles del sistema es (Fz), y la fracción más volátil se representa por (VY) y la fracción líquida se representa por (LX), queda: Fz = LX + VY (2) La ecuación anterior, se puede utilizar para cuantificar la composición de las fases. A partir de las ecuaciones (1 y 2) y sustentado en los diagramas de fases señalados en este capítulo se puede deducir lo siguiente:

V ( Z − X ) EH = = F (Y − X ) EG

(3)

L ( Z − Y ) HG = = F ( X − Y ) EG

(4)

Las ecuaciones (3 y 4) permiten deducir que los moles de vapor (V) es a los moles totales (Z) en el sistema como la longitud (EH) es a la longitud )EG), como también los moles de líquido (L) es a los moles totales (Z) n el sistema, como la longitud (HG) es a la longitud (EG) Marzo 2006


Sistemas de 3 componentes: En la figura 7 se presenta un diagrama para tres componentesLos diagramas triangulares suelen Ser clasificados en cuatro tipos: 1.Los 3 componentes son completamente miscibles entre sí en todas sus formas Esto indica que solo habrá una fase en el sistema.; 2.- Uno de los componentes es totalmente miscible con los otros dos, pero estos solo son parcialmente miscibles entre si 3.- Un par de componentes es totalmente miscible entre sí y los otros 2 pares son parcialmente miscible.; 4.- Los 3 pares son parcialmente miscible.

Figura 7 Características de un Diagrama triangular

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DIAGRAMA DE FASES DE HIDROCARBUROd.- Sistema Multicomponentes La mejor forma de observar los cambios de fases de las mezclas de hidrocarburos que se presentan en los yacimientos de petróleo y gas o condensado es a través de un diagrama de fase PresiónTemperatura. . En la figura 8 se presenta un diagrama P-T para una mezcla multicomponente de hidrocarburosEn vista que en un sistema binario, la En vista que en un sistema binario, la región de dos fases esta cerrada por una región de dos fases esta cerrada por una curva envolvente del punto de burbujeo yydel curva envolvente del punto de burbujeo del punto de rocío, unidas en el punto crítico punto de rocío, unidas en el punto crítico simbolizado como (C). simbolizado como (C). El diagrama mostrado en la figura 88 tiene El diagrama mostrado en la figura tiene varias características resaltantes, como por varias características resaltantes, como por ejemplo, el máximo valor de la presión se ejemplo, el máximo valor de la presión se representa por el punto (PM), punto que se representa por el punto (PM), punto que se conoce conoce con con el el nombre nombre de de Punto Punto Cricondembárico, mientras que el máximo Cricondembárico, mientras que el máximo valor de la temperatura se representa, por el valor de la temperatura se representa, por el punto (TM), el cual tiene el nombre de Punto punto (TM), el cual tiene el nombre de Punto Cricondertérmico. Cricondertérmico.Figura 8 Diagrama (P-T) Para un Sistema multicomponentes

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En la gráfica se pueden analizar varios casos: a.- Caso I Se observa que la línea isobárica (puntos 1 y 2), cruza la curva de puntos de burbujeo en el punto (A) y la de rocío en el punto (B). En (A) se encuentra. el punto de burbujeo .b.- Caso II Aquí existe una línea isotérmica que cruza los puntos (3 y 4). En la línea se observa que entre los puntos (C y D), el sistema es todo vapor de carácter

homogéneo, y puede aumentar la densidad con el incremento de la presión entre los puntos (D y E), donde ocurre condensación del sistema, mientras que entre los puntos (E y 4) el sistema es todo líquido homogéneo, y solo aumentará la densidad (ρ) c.- Caso III. Por el hecho de encontrarse una línea Criconderbárica (línea entre los puntos (5 y 6). Permite seguir una línea isobárica a una presión mayor a la crítica. La línea cruza dos veces la curva de los puntos de burbujeo, sin pasar por la línea de los puntos de rocío

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La línea isobárica (puntos 5 y 6). Esta a una presión intermedia entre la presión en el punto crítico (C) y la presión máxima punto (PM) y cruza la curva de puntos de burbujeo en lo punto (F y G). Esto significa, que independientemente que la temperatura aumento o disminuya en el punto inicial de intersección con la curva de puntos de burbujeo (F y G)) el sistema es un líquido y coincide con el comienzo de la vaporización, sin importar el camino recorrido. En cuanto la temperatura aumente o disminuya y corte el segundo punto en la curva de burbujeo (puntos G y F), sin cruzar la línea de los puntos de rocío. Esto indica, que el sistema estará de nuevo en la misma fase líquida que cuando corto inicialmente la curva de burbujeo. Los puntos (F y G), debe de haber necesariamente un punto de vaporización máxima y el punto (G) indica un proceso sea de condensación con aumento en la temperatura o vaporización con disminución temperatura, según sea la dirección seguida Este comportamiento se denomina Vaporización Retrógrada Isobárica. d.- Caso IV La existencia del punto Cricondertérmico, permite seguir una línea isotérmica (línea 7 y 8) a una temperatura mayor a la temperatura crítica, la línea cruza dos veces los puntos de rocío, sin cruzar por la curva de los puntos de burbujeo. Aquí la línea isotérmica se encuentra a una temperatura intermedia entre la temperatura crítica del punto (C) y la temperatura máxima del punto (TM). La línea cruza los puntos de rocío en los puntos (H y J) sin cruzar la curva de los puntos de burbujeo, con ello .se da origen a un comportamiento de condensación y vaporización anómalo, similares a los planteados en el punto anterior. Este comportamiento se denomina Condensación Retrógrada Isotérmica.

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Caracterización Termodinámica de los Yacimientos En la figura 9 se presenta un diagrama (P-T) que permite hacer la clasificación. termodinámica de los yacimientos

4000

Y a c im ie n to s d e P e tró le o

Y a c im ie n to s d e G as C ondensado

Y a c im ie n to s d e G as H úm edo

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500 0 50 100 150 200 250 300 350

T e m p e ra tu ra d e l Y a c im ie n to F °

En la figura 9 se observa que, el área encerrada por las curvas del punto de burbujeo y del punto de rocío hacia el lado izquierdo inferior, es la región de combinaciones de presión y temperatura, en donde existen 2 fases líquidas y vapor.

Presión del Yacimiento, Lpca

Camino seguido por el fluido

Figura 9. Diagrama de fase de un Sistema Multicomponente

del Yacimiento

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En la figura se observa: a.- ZonaI .Si la temperatura del yacimiento esta por encima del punto cricondertémico (T= 300F y P= 3700 lpca) punto (A). Aquí se puede asegurar, que el punto representa un yacimiento de gas (Gas Seco o Gas Húmedo) b.- ZonaII La (T) se encuentra entre el punto cricondetérmico y la crítica, si la (P) tiene un valor que solo exista una sola fase en el yacimiento. En este caso la fase gaseosa. Si estas condiciones se cumplen en el punto (B), en donde la temperatura tiene un valor de 180 F, y la presión sea 3300 lpca. A medida que la presión disminuya, debido a la producción, la composición del fluido producido tendrá igual composición, que la composición del fluido producido en el punto (B) y permanecerá constante hasta que se alcance la presión del punto de rocío (B1). c.- ZonaIII Aquí (T= 75F y (P=3000 lpca) punto (D). Aquí el fluido se encuentra en la fase líquida. Estos yacimientos se denominan. Yacimientos Subsaturados, en vista que existe deficiencia de gas. Marzo 2006


Comportamiento de los yacimientos monofásicos: a.- Yacimientos Simples de Gas. b.- Yacimientos de Condensado Retrógrada de Punto de Rocío En este caso es la zona que corresponde al punto (B). c.- Yacimientos de Gas Disuelto de Punto de Burbujeo. La figura 9 indica que esto corresponde a la zona del punto (C). Condensación Retrógrada Este fenómeno propio de los reservorios de gas y condensado, es aplicable a muchas situaciones que involucran equilibrios de fases a altas presiones, tanto en estudios PVT de laboratorio como en condiciones de reservorio. En la figura 10 se presenta un diagrama de fase de condensación retrógrada.

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Figura 10 Diagrama de Fases Presión- Temperatura

La figura 10 que representa un diagrama de fase presión- temperatura (P-T). En la figura se observa., que si se parte de una mezcla representada por el punto (X), luego se puede estudiar su comportamiento, cuando se la someta a una despresurización isotérmica (camino a) o un calentamiento isobárico (camino b). El (camino a) es el camino termodinámico típico de los estudios PVT para fluidos de reservorios sometidos a depletación. En este se sabe que se encuentra frente aun petróleo muy subsaturado. Cuando la presión desciende lo suficiente se comienza a liberar gas en el seno del fluido, dado que se corta la campana por la curva de presiones de burbujeo (trazo azul). (Camino b). Este es un camino termodinámico perfectamente válido, pero poco frecuente en la industria petrolera, donde los procesos de reservorio transcurren por lo general en condiciones isotérmicas

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diagrama de diagrama de fases para los fases para los hidrocarburos

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