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UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE MONAGAS ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO MATURÍN/MONAGAS/VENEZUELA

DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DEL GAS NATURAL REALIZADO POR: Fuentes Erick Gil Verónica Luna Carolina Medina Anayeli Mora Luis REVISADO POR: Dr. Fernando Pino

Maturín, Febrero 2010.

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ÍNDICE Pág 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN.........................................................................................................108 3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.............................................................................................109 3.3 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS..................................................................................................109 3.4 PROCEDIMIENTO METODOLÓGICO........................................................................................109

INTRODUCCIÓN El gas natural es una mezcla homogénea, en proporciones variables de hidrocarburos parafínicos, es catalogado como hidrocarburo saturado. Su principal componente es el metano, además también posee gases inorgánicos denominados impurezas, las cuales le restan valor económico, lo cual deben atravesar una serie de procesos para eliminar o disminuir tales impurezas. El gas natural según su origen se puede clasificar en asociado o no asociado dependiendo si se encuentra o no con el crudo, también se clasifica como según su composición como: acido, dulce, hidratado, anhidro, seco y húmedo. Existen varias formas de determinar la composición del gas natural, para así cuantificar diversos parámetros como lo son: factor acéntrico, fugacidad, temperatura crítica, viscosidad, densidad, entre otros. Las características y propiedades del gas son las que van a determinar que se hará con este; es decir al conocer sus propiedades se puede saber qué utilidad tendrá, además la utilización de los diagramas de fases, es una herramienta útil en la caracterización del gas natural, ya que los diagramas de fases son importantes para estimar el comportamiento en superficie del gas natural. Para la caracterizar las propiedades del gas natural se utilizan las ecuaciones de estado que permiten establecer definiciones sobre el comportamiento del gas natural. Hoy en día el desarrollo de las ecuaciones cuadráticas, como cúbicas han permitido el avance de los modelos de simulación, lo que facilitado la caracterización de las propiedades, que permiten clarificar el comportamiento del gas natural. En la actualidad es cada vez más importante la utilización del gas natural como fuente de energía, ya que es un combustible limpio, y que presenta muchas ventajas al compararlo con el crudo. Para la asegurar la eficiencia de los procesos que comprenden 2

la extracción, producción, tratamiento y transporte del gas natural es fundamental conocer las características y propiedades de dicho gas.

CAPITULO I EL PROBLEMA 1.1.

Planteamiento del problema

En sus inicios la industria de los hidrocarburos no le daba suficiente valor a la producción del gas natural y a las bondades de su utilización, luego de conocer las ventajas que representa su consumo en comparación con el crudo, se comienza a dar importancia a su uso. La Republica Bolivariana de Venezuela es uno de los países con mayores reservas de gas natural en el mundo, allí radica la relevancia de su estudio. El uso del gas natural como combustible se ha extendido mucho en los últimos años debido, entre otras cosas, a que su combustión es muy poco contaminante en comparación con la de otros combustibles fósiles, como el carbón o el petróleo. En la actualidad, el gas natural y sus derivados suponen un 20 % del consumo energético mundial, cifra que va en aumento al tiempo que disminuye la del consumo del petróleo y sus derivados. Mediante la adquisición de conocimientos sobre las propiedades y características del gas natural se busca saber cuál será la utilidad de este gas y cuáles serán los procesos (separación, desacidificación, deshidratación, entre otros) a los debe ser sometido para colocar el mismo a las condiciones óptimas para su comercialización. Es necesario conocer las propiedades del gas natural como la viscosidad, densidad, peso molecular, gravedad específica, temperatura, presión entre otros, para mejorar su

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producción y transporte. Para poder saber el valor comercial del gas natural se debe conocer el poder calorífico y la riqueza líquida de este.

1.2.

Objetivo general

Describir las características y propiedades del gas natural. 1.3.

Objetivos específicos

Explicar la definición del Gas Natural y los métodos que se utilizan para determinar su composición. Analizar las diferentes técnicas y/o métodos que se utilizan para la evaluación de las características y propiedades del Gas Natural. Analizar la importancia de la utilización de las Ecuaciones de Estado, en la caracterización de las Propiedades del Gas Natural. Analizar la importancia de la cuantificación del poder calorífico y riqueza líquida del gas natural. 1.4.

Justificación

Es muy importante conocer las características y propiedades para clasificar el gas natural y para saber que se hará con este gas y que a procesos debe ser sometido para su uso y comercialización.

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CAPITULO II Marco teórico.

2.1 Bases teóricas Gas Natural El gas natural es una mezcla homogénea, en proporciones variables de hidrocarburos parafínicos, denominados Alcanos, los cuales responden a la fórmula (CNH2N+N). Estos hidrocarburos, tienen por nombre, también Hidrocarburos Saturados, nombre que está relacionado con la hibridación (sp3). Lo que indica que los alcanos tienen cuatro (4) orbitales híbridos, denominados (sp3). Este tipo de hibridación indica que debe de existir un enlace simple entre los carbonos, enlace difícil de romper, es por lo que reciben el nombre de saturados, a diferencia de los Alquenos y Alquinos, que también son parte de los hidrocarburos parafínicos, pero estos son hidrocarburos insaturados, ya que los Alquenos tienen hibridación (sp2), que indica que debe de haber un doble enlace entre los carbonos, y los Alquinos tienen hibridación (sp), luego debe de haber un triple enlace entre carbono-carbono, y por lo tanto los alquenos y los alquinos son insaturados. El primer compuesto de esta serie es el Metano, cuya fórmula química es (CH4), pero en forma práctica se simbolizara simplemente como (C1), simbología que se utilizará con todos los

hidrocarburos que conforman la serie parafínica. Luego el siguiente

Hidrocarburo es el Etano cuya fórmula química es (CH3CH2), será simplemente (C2). A continuación viene el Propano (CH3CH2CH4) (C3). Si el gas que sale del yacimiento

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contiene, también Butano (CH3CH2CH2CH3) (C4) o fracciones más pesadas en cantidades suficiente, será un gas húmedo. El componente principal del gas natural es el Metano (CH4), cuyo contenido varía generalmente entre 55 y 98 % molar. Contiene también, Etano (C 2H6), Propano (C3H8), Butano (C4H10) y componentes más pesados (C4+) en proporciones menores y decrecientes. El primer hidrocarburo que conforma el gas natural es el Metano, cuya fórmula química es (CH4), pero en forma práctica se simbolizara simplemente como (C1), simbología que se utilizará con todos los hidrocarburos que conforman la serie parafínica. Luego el siguiente Hidrocarburo es el Etano cuya fórmula química es (CH3CH2), será simplemente (C2). A continuación viene el Propano (CH3CH2CH4) (C3). Si el gas que sale del yacimiento contiene, también Butano (CH3CH2CH2CH3) (C4) o fracciones más pesadas en cantidades suficiente, será un gas húmedo. El gas natural tiene, también cantidades menores de gases inorgánicos, como el Nitrógeno (N2), el Dióxido de Carbono (CO2); Sulfuro de Hidrógeno (H2S); Monóxido de Carbono (C0), Oxígeno (O2), Vapor de Agua (H2S), etc. Todos estos componentes son considerados impurezas del gas natural., algunas de estas impurezas causan verdaderos problemas operacionales, como lo es la formación de hidratos, que se producen por la condensación y reacción del agua, o el incremento del proceso de corrosión en los equipos, en los equipos causados por la presencia de los gases ácidos, además de la condensación del agua, y su reacción con los gases ácidos produciendo la corrosión de los metales, que son los principales elementos que conforman los equipos de gas. Clasificación del Gas Natural: Según su origen: a.

Gas Asociado

Es aquel que se encuentra en contacto y/o disuelto en el petróleo del yacimiento En los yacimientos, generalmente, el gas natural asociado se encuentra como gas húmedo ácido. Este gas tiene que ser sometido al proceso de de separación gas- petróleo, para

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poder ser tratado y utilizado. El gas asociado es un gas natural que se ha extraído de los yacimientos junto con el petróleo, partiendo del postulado que donde hay petróleo, hay gas. Más del 90% de las reservas de gas natural es de gas asociado. Se considera que en los yacimientos se forman capas de gas b.

Gas No Asociado

El gas no asociado, es aquel que se encuentra en yacimientos que no contienen crudo, a las condiciones de presión y temperatura originales. Este gas puede hallarse como húmedo ácido, húmedo dulce o seco. Este gas, puede ser tratado y distribuido sin necesidad del proceso de separación. El gas natural no asociado.es un gas que solo está unido con agua en yacimientos de gas seco. El gas está compuesto principalmente por metano (C1), compuesto que alcanza una concentración porcentual mayor a 90%, con pequeñas cantidades de pentanos y compuestos más pesados (C5+ a 60%. La mezcla de hidrocarburos a las condiciones iniciales de presión y temperatura se encuentra en fase gaseosa o en el punto de rocío. El gas presenta condensación retrógrada durante el agotamiento isotérmico de la presión, proceso que en la mayoría de los casos puede representar algún problema en la comercialización de estos yacimientos. En vista que los primeros hidrocarburos que se quedan, son los más pesados. Lo que significa que el fluido que alcanza la superficie lo hace sin, una gran cantidad de los elementos pesados. Además, por el hecho que los hidrocarburos pesados se acumulen en la formación obstaculizan el libre desplazamiento del fluido, en su viaje hacia la superficie. En su camino al tanque de almacenamiento, el gas condensado sufre una fuerte reducción de presión y temperatura penetrando rápidamente en la región de dos fases para llegar a la superficie con características bien específicas, las cuales permiten en tratamiento del fluido. d)

Gas Ácido

Este en un gas .cuyo contenido de sulfuro de hidrógeno (H2S) es mayor que 4 ppm,V. En el Sistema Británico de Unidades este significa, que hay 4 lbmol de H 2S/1x106 lbmol de mezcla. e)

Gas Dulce

Este es un gas que contiene cantidades de Sulfuro de Hidrógeno (H2S), menores a cuatro (4) partes por millón en base a volumen (4 ppm, V) y menos de 3% en base molar de Dióxido de Carbono (C02). f)

Gas Hidratado

Este es un gas que tiene más de siete libras de agua por cada millón de pies cúbicos normales de gas ( 7 lb de Agua/MMPCN) , lo que indica que el gas deberá de ser sometido al proceso de deshidratación, para poder comercializarlo. g)

Gas Anhidro

Este es un gas que no tiene menos cantidad de vapor de agua, que la clasificación de gas hidratado.

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Análisis del Gas Natural Se debe tener en cuenta que cuando se determina la composición del gas natural, no solo se cuantifican los hidrocarburos presentes, sino también las impurezas, como Agua, Dióxido de Carbono y Sulfuro de Hidrógeno. Es posible que también haya presencia de arenas, las cuales producen erosión. En las muestras pueden, haber también parafinas y asfáltenos, los cuales se depositan y crean problemas de taponamiento. Si el agua está en forma líquida y hay presencia de gases ácidos, de seguro aumentará la corrosión. Además de la posible formación de hidratos. Las tomas de muestra deben hacerse por procedimientos que aseguren que la misma sea representativa del gas. Deberán purgarse convenientemente los recipientes. En caso de extraerse de cañerías a presión menor que la atmosférica, deberá hacerse desplazando el mercurio del recipiente para muestra. Si se trata de un gas licuado deberá cuidarse que al extraer la muestra no se produzca una destilación fraccionada. Existen diversos procedimientos de análisis para establecer los porcentajes de los distintos hidrocarburos y de los demás componentes en el gas natural y productos afines. Los métodos o aparatos comúnmente usados para la determinación de los hidrocarburos, son: 1.

Fraccionamiento a Baja Temperatura Este proceso, por lo general se realiza en el Aparato Podbielniak y sus similares es una columna de laboratorio rellena para la destilación fraccionada de gas natural, licuado por enfriamiento con aire y nitrógeno líquidos. La base de la columna puede calentarse mediante una resistencia eléctrica. En la primera parte de la destilación, la cabeza de la columna es enfriada con aire o nitrógeno líquido para regular la cantidad de reflujo (metano líquido, etc.).Consecutivamente, destilan metano, etano, propano, etc. Los puntos de separación entre dos hidrocarburos, o fracciones agrupados, se reconocen por el cambio repentino en los valores de la conductividad

térmica

de los vapores

salientes; valores que son registrados en forma continua en un instrumento anexo. Todos estos componentes del gas, que no son hidrocarburos, no pueden ser determinados en el Aparato Podbielniak, luego habría que utilizar otros métodos de análisis del gas, para tener una mayor precisión y exactitud de los resultados obtenidos. 2.

Espectrómetro de Masa

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Este método se basa en la deflexión de su trayectoria que sufren las moléculas ionizadas de un gas muy diluido, en un campo magnético. La ionización se efectúa en una cámara de ionización. Las partículas ionizadas son aceleradas por la acción de un voltaje elevado y reflexionadas de su camino en el campo magnético, de acuerdo con su masa. 3.

Espectrómetro de Absorción Infrarroja Este es un aparato similar a un espectrómetro común, pero utiliza rayos infrarrojos cuya refracción con gases y otros medios incoloros es más pronunciada y característica que la de los rayos de la luz visible. Los distintos componentes son identificados por comparación de sus aspectos con espectros patrones de productos puros, determinados en el mismo aparato o publicados en la literatura. La cantidad de componentes se determina sobre la base de la intensidad de la absorción registrada. La espectrometría infrarroja

es

particularmente

útil para distinguir entre moléculas saturadas del

grupo (parafínico) y no saturadas (olefinas, etc.). 4.

Cromatografía La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores” ya que cuando fue desarrollada los componentes separados eran colorantes. Los componentes de una mezcla pueden presentar una diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases involucradas. Mientras más veces los componentes viajen de una fase a la otra que se denomina partición se obtendrá una mejor separación Las técnicas cromatográficas se sustentan en la aplicación de la mezcla en un punto, denominado Punto de Inyección o Aplicación seguido de la influencia de la fase móvil. La técnica más utilizada para el análisis del gas natural es la cromatografía en fase gaseosa, la cual es un método físico de separación en el cual los componentes a separar se distribuyen entre dos fases, una de las cuales constituye la fase estacionaria de gran área superficial, y la otra es un fluido (fase móvil) que pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria. Esta fase puede ser un sólido o un líquido dispuesto sobre un sólido que actúa como soporte, de gran área superficial. La fase móvil es un fluido, el cual puede ser gas, líquido o fluido supercrítico, que se usa como soportador de la mezcla. En la cromatografía ocurren dos fenómenos muy importantes y que son prácticamente los rectores del proceso de separación. Estos procesos son la adsorción y la absorción.

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Adsorción, se entiende por adsorción a la retención de una especie química en los sitios activos de la superficie de un sólido, quedando delimitado el fenómeno a la superficie que separa las fases o superficie interfacial. La retención superficial puede ser de carácter físico o químico, cuando es físico por lo general el proceso es reversible, mientras que si es químico el proceso de seguro es irreversible. La adsorción depende de la naturaleza de la sustancia adsorbida, de la temperatura y estado de subdivisión del adsorbente, y de la concentración. Absorción, se entiende por absorción a la retención de una especie química por parte de una masa y depende de la tendencia, que tenga la masa a formar mezcla o reaccionar químicamente con la misma. También la absorción es la retención de gases o vapores por líquidos, de una sustancia por otra. Líquido capaz de retener de manera selectiva otro componente. Por ejemplo, el glicol que absorbe el agua contenida en el gas natural o las soluciones de amina, cuando capturan el dióxido de carbono o el sulfuro de hidrógeno del gas natural. La exactitud en el análisis cualitativo y cuantitativo de una muestra es un factor fundamental; debido a que cualquier desviación en sus resultados, afecta directamente la determinación de las propiedades del fluido analizado y en consecuencia, conduce a errores graves cuando se trata de predecir su comportamiento dentro de límites satisfactorios. El análisis proporciona una serie de parámetros y datos, que son necesarios para definir en forma clara y precisa, los caminos que debe de seguir el gas, en su tratamiento. Los métodos se basan en la diferente velocidad e intensidad con que distintos materiales son absorbidos y adsorbidos, por un adsorbente dado.

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Figura 1 Ilustración de una Cromatografía Gaseosa Los métodos cromatográficos se sustentan en la diferente velocidad e intensidad con que distintos materiales son absorbidos y adsorbidos, por un adsorbente dado. Esto significa que en su pasaje a través de la columna, los distintos componentes después desorbidos gradualmente por la corriente del gas portador puro. Con dimensiones y velocidades apropiadas, se consigue una separación completa del gas en sus componentes. Con la salida de la columna, la conductividad térmica del saliente es registrada en función del tiempo. El compuesto es identificado por el gas, el cual es absorbidos a distinta velocidad e intensidad sobre la fase estacionaria y tiempo que requiere para pasar a través de la columna, y su concentración en el gas portador se encuentra relacionando el área debajo de su pico individual de conductividad térmica, con el área total bajo todos los picos en el gráfico .En los últimos años, la utilización de los métodos cromatográficos para el análisis de gases ha ido muy en auge, debido a la rapidez y relativa sencillez de los procedimientos. La muestra del gas mezclado con un "gas portador",que puede ser helio o hidrógeno etc. ("fase móvil") es pasada a través de una

columna de un sólido inerte, poroso,

granulado, tal como polvo de ladrillo refractario ("soporte"), cuya superficie está cubierta con una fina película de un líquido absorbente no volátil, tal como silicón o dioctil-ftalato. ("fase estacionaria"). En su pasaje a través de la columna, los distintos componentes del gas son absorbidos con distinta velocidad e intensidad sobre la fase estacionaria y después desorbidos gradualmente por la corriente del gas portador puro. Con dimensiones y velocidades apropiadas, se consigue una separación completa del gas en sus componentes.

Los cromatógrafos son equipos provistos de columnas construidas con acero inoxidable o de plástico, las cuales están rellenas de sustancias que atraen individualmente a cada uno de los componentes en función de su composición, de tal forma que a medida que el gas avanza dentro de la celda de medición, cada componente se adhiere a la superficie de la sustancia utilizada como relleno y se queda retenida por un determinada lapso. Eso permite que se vayan separando los diferentes componentes que componen la muestra.

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En la figura 2 se observan los diferentes picos, los cuales corresponden a los componentes, por lo que está constituida la mezcla analizada.. Esos, picos permite determinan los componentes, que conforman la muestra, y la composición de cada uno de ellos, propiciando con ello una gran e importante información.

Figura 2: Análisis Cromatográfico para una muestra para una muestra de gas natural.

Figura 3: Diferentes Componentes Sulfurados presentes en el gas natural

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En la figura 3 se presentan todos los componentes sulfurados, que se pueden encontrar en una muestra de gas natural, y la gran mayoría de esos compuestos son los que conforman los gases ácidos del gas natural. Utilidad del Gas Natural El gas natural sirve como combustible para usos doméstico, industriales y para la generación de energía termoeléctrica. En el área industrial es la materia prima para el sector de la petroquímica. A partir del gas natural se obtiene, por ejemplo, el polietileno, que es la materia prima de los plásticos. En términos generales se puede asegurar que la utilidad del gas natural es múltiple, aunque una de las primeras aplicaciones fue la producción de vapor sustituyendo o complementando en instalaciones mixtas, la acción de los combustibles sólidos o líquidos. En todos los sectores del mercado energético y en casi todos los usos finales, el gas natural compite con otros combustibles y formas de energía. En la actualidad, el gas natural representa el 20% de la demanda de energía primaria de la Unión Europea siendo estos porcentajes del 19% en el caso del carbón y del 45% del petróleo. Las reservas probadas de gas natural son abundantes y han crecido acompasadamente en las últimas décadas. A pesar de haberse más que doblado el consumo de gas natural, sus reservas probadas han crecido considerablemente más rápido que su consumo, ya que se efectúan nuevos hallazgos continuamente y se elevan las reservas de los yacimientos existentes por las mejoras en las técnicas de producción, y con ello poder producir mayor cantidad de hidrocarburos sean estos en forma líquida o gaseosa. Las reservas totales probadas de gas natural en el mundo cubrirían la demanda de más de 60 años a los niveles actuales de consumo. Los expertos estiman que las reservas totales de gas natural son varias veces mayores que las probadas, lo que prolonga el tiempo de vida previsto para sus reservas y asegura que el gas natural puede actuar como una energía puente hacia otro sistema energético en un futuro lejano. Se

puede asegurar

que el gas natural tiene una serie de ventajas sobre otros

combustibles, debido fundamentalmente a su seguridad y baja contaminación ambiental, en vista que el gas natural tiene un rango de inflamabilidad muy limitado, en concentraciones en el aire por debajo del 4 por ciento y por arriba de aproximadamente

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el 14 % no se encenderá el gas natural. Además la temperatura de ignición es alta y el rango de inflamabilidad limitado reduce la posibilidad de un incendio o explosión accidental Debido a que el gas natural no tiene un olor propio, se agregan odorantes químicos, en este caso (Mercaptanos) para que pueda detectarse en caso de fuga. Algunas tuberías, sobre todo las que no tengan cierta flexibilidad, podrían fracturarse, sin embargo, cerrando las válvulas y el suministro de gas, pueden iniciarse las labores de reparación y rescate casi inmediatamente debido a que, al ser más ligero que el aire se disipa rápidamente en la atmósfera. Considerando las propiedades físico-químicas del gas natural, las ventajas más importantes en cuanto a su uso son las siguientes: a.- Es un combustible relativamente barato. b.- presenta una combustión completa y limpia, la cual prácticamente no emite bióxido de azufre; c.- tiene una alta seguridad en la operación, debido a que en caso de fugas, al ser más ligero que el aire, se disipa rápidamente en la atmósfera. Para, ello solo es necesario una buena ventilación. d.- Promueve una mayor eficiencia térmica en plantas de ciclo combinado para la generación de electricidad. La combustión del gas natural prácticamente no genera emisiones de Bióxido de Azufre

( S 0 2 ) , el cual causa la lluvia ácida o partículas que son carcinogénicas de la misma forma, el gas natural emite cantidades muchos menores de Monóxido de Carbono, hidrocarburos reactivos, óxidos de nitrógeno y Bióxido de Carbono, que otros combustibles fósiles. Una manera en la que el gas natural puede contribuir significativamente al mejoramiento de la calidad del aire es en el transporte. Por ejemplo, los vehículos que funcionan con gas natural pueden reducir las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos reactivos hasta en un 90 por ciento, en comparación con los vehículos que utilizan gasolina. Otra manera de mejorar el medio ambiente es usar más gas natural para la generación de electricidad reemplazando al carbón o petróleo. Producto, que por lo general son de alto riesgo del punto de vista ambiental

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El gas seco, húmedo o condensado, a través de tratamientos adecuados, sirve de insumo para la refinación petroquímica, donde por medio de plantas especialmente diseñadas se hacen recombinaciones de las moléculas de los hidrocarburos para obtener materia prima semielaborada para una cadena de otros procesos o productos finales para los mercados. También el gas natural asociado y no asociado procedente de yacimientos de gas es tratado y acondicionado para obtener gas seco de ciertas especificaciones, como metano, por ejemplo, el cual se despacha por gasoducto y red de distribución a ciudades y Centros industriales donde se utiliza como combustible. El gas natural es un gas real, luego al ser tratado tecnológicamente el aprovechamiento de los hidrocarburos en todas sus fases operacionales; se encuentran que hay una serie de propiedades que definen su comportamiento. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos que, en principio, se supone en estado gaseoso. Sin embargo, la posibilidad de que el llamado gas natural este realmente en estado gaseoso depende de su composición y de la presión y

temperatura a las cuales esta sometido .Lo que

significa que cualquier gas se puede licuar o ser mantenido en forma gaseosa mediante el correcto manejo de la temperatura y presión. El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir , que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resuelta entonces, que el volumen (V) ocupado por el gas depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o numero de moles (n). Propiedades: Este término define las características de un sistema que pueden evaluarse en forma cuantitativa resultado de un experimento, lo que indica que las propiedades de un sistema se obtienen por medio de una medición directa, o de un desarrollo matemático, como también puede ser a través de las leyes de la termodinámica. Las propiedades describen la condición de un sistema en un tiempo particular. El término gas, describe el estado físico de una materia que no tiene forma ni volumen propios. Lo que significa que el gas se adapta a la forma y volumen del recipiente que lo contiene. Puesto que todas las substancias pueden adoptar el estado gaseoso, según la temperatura y presión que se les aplique, el término gas se emplea a las substancias que

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existen en estado gaseoso en condiciones llamadas normales o estándar, es decir, a temperaturas y presiones normales (CNPT). Estas condiciones en el Sistema Británico de Unidades corresponden a una presión de 14,73 libras por pulgadas al cuadrado (lpca) y una temperatura de 60 F o 520 R y, desde luego en esas condiciones una libramol del gas ocupara un volumen de 379,63 (PCN/lbmol). Entre las propiedades del Gas natural; se encuentran: Densidad de los Gases: es la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. Si a la ecuación que representa, la ecuación general del estado gaseoso en condiciones ideales se le hace los reemplazos pertinentes, se puede obtener una ecuación, que permite determinar la densidad de los gases: w RT V 

PxM= 

(01)

La expresión (w/V), viene a ser la masa sobre el volumen, en la ecuación anterior, esta relación representa la densidad (ρ ) del gas:  w  PxM =  V  RxT

ρ =

(02)

En la ecuación (w) representa la masa y (M) es el peso molecular o peso molecular aparente en caso que sea una mezcla. El concepto de densidad, el cual según la definición. Es la masa por unidad de volumen. El término es aplicable a mezclas y sustancias puras en el estado sólido, líquido y gaseoso. La densidad de las sustancias en estado sólido y líquido depende de la temperatura y, en el caso de los gases, depende de la temperatura y presión. Un método para determinar la densidad de un gas es vaciar por completo un recipiente ligero, pero resistente de tamaño adecuado, cuyo volumen inferior se conoce. Se pesa el recipiente que se ha vaciado, se llena con una muestra de gas y después se pesa una vez más. Se debe conocer los valores de presión y temperatura de la muestra de gas. La ecuación (02) es válida solo para los gases ideales, para poder utilizarla en los gases reales, hay que multiplicarlo por le factor de compresibilidad (Z), que es la desviación de la idealidad. La densidad, medida respecto a la del aire tomada como unidad, oscila comúnmente entre 0,6 y 0,7 según sea el contenido de hidrocarburos condensables (propano y superiores), pudiendo aún ser mayor si fuese muy rico en estos últimos. Cuando se trate de una mezcla de gases, el peso molecular se puede determinar de la siguiente manera:

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El peso molecular de la mezcla es el peso molecular aparente de la muestra. La composición de una mezcla de gas natural se expresa generalmente, en porcentaje por mol, según lo siguiente: n

% wi = Wi / ∑ wj x100 j =1

(03)

Se sabe que (1 lbmol, 1 gmol o 1 kgmol) de cualquier gas en condiciones estándar contiene el mismo número de moléculas. Esto significa que el porcentaje molar de un componente (i) en una mezcla de gas indicará el porcentaje de las moléculas del componente (i) presentes en la mezcla. En vista que el volumen de cualquier componente en una mezcla será proporcional al número de moles de tal componente. Para convertir él % o fracción por peso a porcentaje o fracción por volumen o mol, o viceversa, es necesario tener en peso molecular de cada especie. Gravedad Específica de los Gases (γ

): cuando se habla de la gravedad específica de

G

los gases se usa como referencia la relación de igual, mayor o menor peso que un gas pueda tener con respecto al peso molecular del aire, el cual en el Sistema Británico de Unidades tiene un valor de (28,97 lb/ lbmol).La relación molecular tiene la ventaja de que el peso molecular de los elementos no es afectado por

la

presión o

por la

temperatura, por lo tanto se puede utilizar, ya que su valor permanece relativamente constante. La gravedad específica es la relación entre la masa de un determinado volumen de una sustancia con respecto a la masa de un volumen tomada como estándar. A menos que se establezca lo contrario, se acepta el aire como estándar para los gases y el agua (para los líquidos), con un volumen medido a (60 F) y a presión de 14,73 (lpca), aunque la conversión a cualquier sistema de unidades se puede realizar muy fácilmente utilizando los factores de conversión, pero se requiere establecer en forma clara el sistema de unidades utilizados. La gravedad específica del gas (γ

) es la razón de la densidad del gas a la densidad de

G

una sustancia base (aire), en las mismas condiciones de presión y temperatura, permitiendo con ello hacer una caracterización del gas sin necesidad de determinar la densidad del gas, que si es una función de la presión y temperatura. γ

 ρg  =  ρ 

G



GA

P ,T

(04)

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Reemplazando en la ecuación (04), queda: γ

 ρg  =  ρ 

G



GA

P ,T

La gravedad específica (γ

 M MA

= 

  M   =     28,97 

(05)

) determinada de esta forma es independiente de las

G

condiciones de presión y temperatura. Para una mezcla si se conoce la gravedad específica de los componentes (γ

), la

Gi

gravedad específica de la mezcla se puede determinar, según lo siguiente: n

γ

= ∑ yixγ

GM

i =1

(06)

Gi

Si se quiere determinar directamente la gravedad específica en el laboratorio o en operaciones de campos, se recurre al método rápido utilizando unos de los varios aparatos o balanzas, como la botella de Schillling, la balanza de Edward o la de Ac-Me, o similares. El peso del aire se ha estimado en condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), en un valor de 0,0812 libras por pie cúbico (lb / pie 3 ) Luego para determinar el peso de gas, en el volumen indicado bastaría con establecer la multiplicación de: Peso de la mezcla de gas =γ

.x .

G

A partir de la composición del gas natural, se determinan los parámetros para su clasificación, dentro de los cuales, el valor de la gravedad específica, es uno de los más importantes. El gas natural, en su representación más frecuente, tiene una gravedad específica que varía entre 0,6 y 0,7. Para el caso venezolano el gas comúnmente viene asociado con la producción de petróleo y, por lo tanto, es más pesado. En este caso se puede encontrar una gravedad, con valores 0,6 a 0,8. Si el fluido tiene una gravedad de 0,8, se debe considerar como un gas pesado, aunque también se puede clasificar como gas rico o de un contenido alto de hidrocarburos condensables, alta Riqueza Líquida (GPM), que por lo general parte del propano. Generalmente el parámetro de mayor utilidad para definir el gas natural es la gravedad específica, ya que el valor de la misma define si el gas, con el cual se esta trabajando es más o menos pesado que el aire, en vista que utiliza el peso molecular del aire para determinar la gravedad específica, como una relación entre el peso molecular aparente de la mezcla gaseosa y el peso molecular del aire. La gravedad específica podría

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facilitar el camino para la determinación de las propiedades seudocríticas y seudorreducidas del gas natural, y con ello permitir determinar el factor de compresibilidad (Z), que viene a ser la desviación de la idealidad, y con ello estar en condiciones de definir el grado de desviación del gas natural del concepto de gas ideal. Peso Molecular Aparente (MA) Cuando se trabaja con mezclas de gases, se debe hablar de peso molecular aparente o peso molecular promedio molar. Y se define, en el Sistema Británico, como el

peso de 379,63 PCN/lbmol de la mezcla gaseosa a 60F y

14,7 lpca. El (MA) se determina, según la siguiente fórmula:

n

Ma = ∑ yiMi

(07)

i =1

La unidad (libra /libramos) (lb/lbmol), se utiliza, porque se esta trabajando en el Sistema Británico de Unidades, si fuese el Sistema Internacional, entonces el peso molecular sería (g/gmol), kg /kg mol). Viscosidad del Gas Natural (µ G): La viscosidad de un fluido gaseoso es una medida de la resistencia interna que ofrecen sus moléculas al fluir. Esta resistencia viene del rozamiento de unas moléculas con otras. La fluidez es inversamente proporcional a la viscosidad. Este parámetro tiene aplicaciones importantes en la producción, procesos de acondicionamiento y mercadeo. Debido a los incrementos de temperatura a que puede ser sometido el gas natural. Bajo estas condiciones la viscosidad del gas tiende a aumentar como resultado del incremento de la actividad molecular. La viscosidad de los gases es mucho menor que la de un líquido, ya que las distancias intermoleculares de un gas son mayores que las de un líquido. Factores que afectan a la Viscosidad (µ G) Los principales factores son: a.- La Presión: La viscosidad de los gases es esencialmente independiente de la presión entre unos cuantos centésimos de una atmósfera y unas cuantas atmósferas. Sin embargo, la viscosidad a altas presiones aumenta con la temperatura y la densidad, pero hay que hacer una distinción entre: 1.- A bajas presiones (P< 1000-1500 lpca), a medida que aumenta la temperatura aumenta la viscosidad del gas natural debido al incremento de la energía cinética de las

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moléculas que produce gran número de choques intermoleculares, que hacen que haya mayor compactación de las moléculas, y como consecuencia de ello se incrementa la viscosidad del fluido. 2.- A elevadas presiones (P>1000-1500 lpca), a medida que disminuye la temperatura disminuye la viscosidad del gas natural debido a la expansión térmica de las moléculas. A elevadas presiones las distancias intermoleculares de lo gases son pequeñas y el gas natural tiende a tener un comportamiento similar a los líquidos. Por lo general si la temperatura aumenta la viscosidad de los gases se incrementa, pero a elevada presiones puede haber una dispersión de las moléculas, que hace disminuir la viscosidad, y por ende afecta el valor final de la viscosidad, lo que hay que tener claramente en cuenta para la utilidad de los cálculos, donde sea necesario utilizar la viscosidad de la mezcla gaseosa. b.- Efecto de la Temperatura: A cualquier temperatura la viscosidad de un gas natural aumenta con el incremento de la presión debido a la disminución de las distancias intermoleculares. La viscosidad de los gases es esencialmente independiente de la presión. Pero a cierta temperatura la viscosidad aumenta con la presión. Todas las moléculas están en continuo movimiento aleatorio, luego cuando existe un cambio de presión debido al flujo, el cambio de presión se superpone a los movimientos aleatorios. Se distribuye entonces por todo el fluido mediante colisiones moleculares. Cuanto mayor sea el movimiento aleatorio, como cuando se produce mediante un aumento de temperatura, mayor es la resistencia el cambio de presión del fluido. c.- Peso del Gas Natural: A medida que el gas natural es más pesado, sus moléculas serán más grandes y por lo tanto su viscosidad será mayor: En la medida que el gas sea más pesado la viscosidad del gas es mayor. Esto es debido a que mientras más pesado es el gas más grande es el tamaño de las moléculas y por lo tanto mayor es la viscosidad., luego la movilidad del fluido será menor. Métodos Para Determinas la Viscosidad de un Gas La cuantificación de la viscosidad de un gas natural puede ser determinada experimentalmente o por medio de ecuaciones. La determinación de la viscosidad en el laboratorio es sumamente complicada debido a que su valor es muy pequeño (µ G≈ 0,02 CPS) para ser medido con exactitud. Por esta razón se prefiere usar métodos gráficos o numéricos en su evaluación, sobretodo cuando se requiere determinar la viscosidad de

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un fluido gaseoso ya que hay mayores dificultades para su cuantificación. Algunos de los métodos utilizados para el cálculo de esta propiedad, son los siguientes: a.- Medición de la Viscosidad de un Gas en un Tubo Capilar: Para la medición se supone un tubo capilar de radio (r) y de longitud (L), por el cual fluye un gas cuando la diferencia de presión en sus extremos es ( P − Po ) . La ley de Poiseuille para un fluido viscoso incompresible indica que el gasto, se representa por la ecuación: G=

dV dT

(08)

La ecuación (08) se refiere al volumen de fluido gaseoso que atraviesa la sección normal del capilar en la unidad de tiempo, lo que es directamente proporcional al gradiente de presión a lo largo del tubo, lo que se representa por la siguiente ecuación matemática: ( P − Po ) πxr 4 ( P − Po ) dV = = 8ηxL dT L

(09)

Ahora bien, para un gas que fluye a través del tubo capilar, el volumen de gas que entra en la unidad de tiempo a una presión (P) no es igual al volumen que sale del tubo a la presión (Po) (atmosférica) debido a la comprensibilidad de los gases. Sin embargo, la masa de gas que entra en la unidad de tiempo es igual a la masa de gas que sale en la unidad de tiempo. Si, se escribe la ley de Poiseuille, en términos tales que se puede cuantificar la viscosidad del gas, o simplemente el coeficiente de viscosidad: dV πxr 4 dP = dt 8ηxdX

(10)

Donde: ( dV / dt ) es el volumen de gas que atraviesa la sección normal del tubo capilar a una distancia (X) del extremo del tubo, en la unidad de tiempo ;(dP/dX) es el gradiente de presión en dicha posición, y teniendo en la cuenta la fórmula general del estado gaseoso en condiciones ideales, se obtiene: PxV =

mxRxT PM

(11)

La ley de Poiseuille queda: PMx πxr 4 xPxdP  dM   dX = − RxTx 8η  dt 

(12)

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El signo menos de la ecuación (12) es porque la presión del gas disminuye a medida que sale el gas por el tubo capilar. La presión y el volumen del gas contenido en el recipiente, va cambiando con el tiempo. La masa del gas contenido en el recipiente, disminuye. La masa que atraviesa la sección normal del capilar en la unidad de tiempo se determina aplicando la ley de los gases ideales: PMd ( dV )  dm   =− RxTdt  dt 

(13)

Aplicando la ley de Poiseuille al movimiento de un gas a través de un capilar se puede determinar el coeficiente de viscosidad (η) y por ende la viscosidad, que es el parámetro que se necesita determinar, para estudiar el comportamiento del gas natural, según lo siguiente: −

PMd ( dV ) Mπr 4 = ( P 2 − P02 ) RTdt RT 16ηL

(14)

b.- Método de Lee- González-Eakin Estos investigadores determinaron en forma experimental la viscosidad de 4 gases naturales con impurezas a valores de temperaturas de entre 100 y 400 F y presiones desde 100 hasta 8000 lpca. Fundamentado en los datos experimentales obtuvieron la siguiente correlación, las cuales son de utilidad para la cuantificación de la viscosidad de los gases. µG =10-4(K) EXP(Xρ G

Donde:

Y G

)

 ( 9,379 + 0,01607xM G ) xT 1,5  K=   ( 209,2 + 19,26 xM G + T )  986 ,4   X =  3,448 + + 0,01009 xM G  T  

Y= 2,4447-0,2224X

(15) (16) (17)

(18)

En las fórmulas (15; 16; 17 y 18): (µ G)= viscosidad del gas a una presión (P) expresada en (lpca) y una temperatura (T) expresa en grados (R), las unidades de la viscosidad es (CPS); (ρ G)= densidad del gas en (g/cm3) y (MG)= peso molecular del gas en (lb / lbmol) c.- Método de Carr- Kabayashi y Barrows: Esta es una de las correlaciones de mayor utilidad en la industria, para llevar a cabo el método se requiere conocer la composición

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del gas o su gravedad específica, además de la presión y temperatura a la cual se desea efectuar la determinación. El método se fundamenta en el principio de los estados correspondientes. Según este principio a las mismas condiciones de presión y temperatura seudorreducida todos los gases naturales tienen el mismo cociente de viscosidad:  µG    = cociente de viscosidad  µG1 

(19)

En la ecuación (19): ( µG ) es la viscosidad del gas en (CP) a P y T operacional y ( µG1 ) es la viscosidad del gas a la presión de 1 atm y temperatura operacional en (F). Para estimar la viscosidad de la mezcla de gases, se determina primero ( µG1 ) de la figura 4. La figura 4 permite determinar (µ

) en (CPS), que viene a ser la viscosidad del gas a

G1

la presión de 1 atm y a la temperatura de operación en (F). Para obtener la ( µG1 ) en figura 4 se relaciona el peso molecular aparente, la gravedad específica y la temperatura. En la figura 4 también se puede corregir por impurezas. Los valores obtenidos con esta gráfica son válidos para los hidrocarburos gaseosos. La presencia de impurezas hace incrementar los valores de la viscosidad de la mezcla. Figura 4 Viscosidad ( µG1 ) a la P=1 atm y Temperatura T

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Según la gráfica los valores de viscosidad son válidos, para un rango de: 0,55