UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

CAPITULO 4

COMPORTAMIENTO DE FASES

Ciudad Universitaria., a 8 de febrero de 2012.

Sustancias Puras.

Con los diagramas de fase podemos explicar como los cambios de presión y

temperatura afectan el comportamiento de los hidrocarburos.

Existen 3 factores importantes en el comportamiento molecular de un

componente puro o de mezclas de hidrocarburos.

a).-Presión.- Es un reflejo del numero de moléculas de un gas que están

golpeando las paredes de un recipiente, a medida que las moléculas están más

cercanas la presión se incrementa.

b).-Temperatura.- Es un reflejo de la energía cinética de las moléculas. La

temperatura es un promedio de la energía cinética de las moléculas del

material.

El incremento en la temperatura ocasiona un incremento en la energía cinética,

ocasionando que las moléculas incrementen su movimiento y tiendan a

separarse.

Diagramas de Fase

c).- Fuerzas de atracción y repulsión molecular. Estas fuerzas cambian con

las distancias entre moléculas: las fuerzas atractivas aumentan conforme la

distancia entre las moléculas decrece hasta que llega un momento en que

están tan juntas que se generan fuerzas de repulsión como en el caso del

líquido en el cual las moléculas están tan juntas que las fuerzas de

repulsión tienden a aumentar la resistencia del material a la compresión.

Definición de Fase.

Se define como cualquier parte de un sistema homogéneo y físicamente

distinto de otra parte del mismo sistema y que están separadas por

fronteras definidas, por ejemplo el agua, el hielo y el vapor de agua.

Los sistemas de un solo componente se comportan de manera muy

diferente de los sistemas con varios componentes, por lo cual es necesario

primeramente estudiar su comportamiento presión, volumen , y

temperatura.

Diagramas de Fase

Temperatura (°F)

100

0

200

300

400

500

600

700

-100 -50 0 50 100

PUNTO CRITICO

LIQUIDO

VAPOR Pre

sió

n ,

(lb

/pg

2)

T

C

SO

LID

O

LIN

EA

DE

PU

NT

OS

D

E F

US

ION

1

2

3

4

DIAGRAMA PRESIÓN TEMPERATURA PARA EL ETANO (C2H6)

VAPOR- LIQUIDO

GAS

PUNTO CRITICO

LIQUIDO

T1

T2

0 VOLUMEN

PR

ES

IÓN

PRESION DE BURBUJA PRESION DE ROCIO

DIAGRAMA PRESIÓN-VOLUMEN PARA UN SOLO COMPONENTE

El comportamiento de fase para dos componentes no es tan simple como el comportamiento de fase de un solo componente en lugar de una sola línea que representa la presión de vapor existe un amplio rango de presiones en las cuales dos fases coexisten. La región de 2 fases es rodeada por un lado por la línea de puntos de burbuja y por otro lado por la línea de puntos de rocío y estas 2 líneas se unen en el punto crítico. Presión de burbuja.- se define como la presión a la cual se forma la primera burbuja de gas. Presión de rocío.- se define como la presión a la cual se forma la primera gota de líquido.

DIAGRAMAS DE FASE SUSTANCIAS PURAS

-100 400 300 200 100 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

PUNTO CRITICO

CURVA PUNTO

DE BURBUJA

CURVA PUNTO

DE ROCIO

VAPOR

LIQUIDO

ZONA

2 FASES

PR

ES

IÓN

, P

SI

TEMPERATURA, °F

DIAGRAMAS DE FASE ETANO - HEPTANO

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

PR

ES

ION

, (P

SI)

-100 0 100 200 300 400 500 600

0

100

TEMPERATURA (°F)

MODIFICACIÓN DEL DIAGRAMA DE FASE CON LA VARIACIÓN DE PORCENTAJE EN LA MEZCLA (C2 - C7)

Los componentes del petróleo como se mencionó en el capitulo 3, tiene un amplio número de componentes por lo cual el diagrama de fase depende de la composición de la mezcla así como de las propiedades de los componentes de la mezcla. Los más importantes conceptos físicos relacionados con un diagrama de fase para una mezcla de hidrocarburos son: a).-Punto crítico.- Es la presión a la cual las propiedades intensivas de cada fase son las mismas. b).-Temperatura crítica.- La temperatura del punto crítico. c).-Presión crítica.- La presión del punto crítico. d).-Propiedades intensivas.- Las propiedades que son independientes de la cantidad de material considerado.

DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES

d).-Propiedades Extensivas.- Las propiedades directamente proporcionales a la cantidad de material considerado. e).-Curva de puntos de burbuja.- La línea de puntos que une las presiones a las cuales aparece la primera burbuja de gas. f).-Curva de puntos de rocío.- La línea de puntos que une las presiones a las cuales aparece la primera burbuja de líquido.

g).- Región de dos fases.- La región en la cual coexisten gas y líquido en equilibrio. h).-Cricondenterma.- La máxima temperatura a la cual coexisten vapor y líquido en equilibrio. i).-Cricondenbara- La máxima presión a la cual coexisten vapor y líquido en equilibrio.

DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES

j).- Zona de condensación retrógrada.- La región en la

cual el líquido se condensa bajando la presión a

temperatura constante.

k).-Zona de vaporización retrógrada.- La región en la

cual se forma vapor decreciendo la temperatura a

presión constante.

DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES

DIAGRAMAS DE FASE PARA MEZCLAS MULTICOMPONENTES

Pb PRESIÓN DE

BURBUJA

DE LA

TEMPERATURA X1

Pc PUNTO CRITICO

CT CRICONDENTERMA

Cp CRICONDEMBARA

Cr ZONA DE

CONDENSACION

RETROGRADA

Ce VAPOROZACION

RETROGRADA

LIQUIDO

REGIÓN DE FASE LIQUIDA REGIÓN FASE DE VAPOR

Pb CT

GAS

TEMPERATURA

% LIQUIDO

100

75

50

25 20 15 10 5 0

PC

REGIÓN DE DOS FASES

X1

El comportamiento de fases de una mezcla de 3 componentes puede ser representado por un diagrama ternario, para mezclas multi-componentes es necesario utilizar pseudo-componentes. En la figura siguiente se observa que la esquina superior del triángulo representa 100 % de metano mientras que el lado opuesto representa 0 % de metano. de la misma la esquina derecha inferior representa 100 % butano y la esquina inferior izquierda representa 100 % decano. Si tres componentes se mezclaran en las proporciones del punto S a 2500 lb/pg2 y 160 of y se dejara en equilibrio se tendrían 2 fases un líquido en equilibrio con composición X y un gas equilibrio con composición Y. Cualquier mezcla de componentes que caigan dentro de la envolvente de fase tendrá 2 fases líquida y gaseosa. La zona de líquido está ubicada debajo de la línea de punto de burbuja y la zona de gas esta ubicada encima de la línea de puntos de rocío.

DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS

LINEA PUNTO BURBUJA

(LIQUIDO SATURADO)

PUNTO CRITICO

LINEA DE PUNTO DE ROCIO

(VAPOR SATURADO)

100% C1

100%

C10

100%

n- C4

Y

X

REGION DE DOS FASES

S

RELACION DE FASE C1/nC4 /C10 a 71 oC y 175 kg/cm2 (160 oF y 2500 lb/pg2, STALKUP).

C1=68 %

nC4=21 %

C10=11 %

Zona

Miscible

P=3,250 PSIA

G2-78.5% C1,21.5 % C4

G1-100%C1 100% C1

100%

C10

100%

n- C4

P=2,500 PSIA

L1

GAS BUTANO INYECTADO REQUERIDO PARA MISCIBILIDAD CON FLUIDO DEL YACIMIENTO, PRESION DE OPERACIÓN ARRIBA CRICONDENBARA T=71 oC (160°F)

El incremento en la presión incrementa el

tamaño de la región de 2 fases, el punto

crítico desaparece con la reducción de la

presión y a medida que el diagrama de 2

fases intercepta el lado derecho del

diagrama indica que a esa presión limite, el

metano y el butano no formaran mezclas de

una fase para todas las composiciones

posibles.

El incremento en la temperatura

incrementará el tamaño de la región de dos

fases.

DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS

DIAGRAMAS DE FASE, DIAGRAMAS TERNARIOS

Los yacimientos se clasifican de acuerdo a

su diagrama de fase en los siguientes tipos:

a).- Yacimientos de bajo encogimiento

(aceite negro)

b).- Yacimientos de alto encogimiento

(aceite volátil)

c).- Yacimientos de gas y condensado.

d).- Yacimientos de gas húmedo

e).- Yacimiento de gas seco.

Clasificación de los Yacimientos de Acuerdo a su Diagrama de Fase

DIAGRAMA DE FASE PARA LOS ACEITES DE BAJO ENCOGIMIENTO (Méndez L.T.)

TEMPERATURA

LIQUIDO

GAS

PR

ES

IÓN

A

B

C

Py,Ty

Pc

Ps

Ts Ty

75

50

25

0

D

RGA < 200 m3/m3

o >0.85 gr/cm3

Bo < 2.0 m3/m3

CONTENIDO C7+ ≥

20 %

YACIMIENTOS DE BAJO ENCOGIMIENTO (ACEITE NEGRO

TEMPERATURA

PR

ES

IÓN

LIQUIDO

A

B

C

D

E

Ts

Py, Ty

Ps

GAS

RGA 200-600

m3/m3

o 0.78-0.87

gr/cm3

Bo > 2.0 m3/m3

%Mol C7+12.5 -

20 TEMPERATURA

Pc

DIAGRAMA DE FASE PARA LOS YACIMIENTOS DE ALTO ENCOGIMIENTO (Clark N. J.)

PR

ES

IÓN

TEMPERATURA

LIQUIDO

0

50

35

5

Ty Ts

Ps

RGA 500-15,000 m3/ m3

o 0.75-0.82 gr/cm3

%C7+ 3 - 12.5%

D

B

Py, Ty

GAS

Pc

A

75

C

DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS Y CONDENSADO (Clark N.J.)

ACEITE DE ALTO ENCOGIMIENTO

PRESIÓN

VO

LU

ME

N (

%)

E

C

C C

B B

B

D

D

D

100

75

50

25

0

VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE HIDROCARBUROS EN EL YACIMIENTO CON LA PRESIÓN (Clark N.J.)

LIQUIDO

GAS

TEMPERATURA

A

B

Py, Ty Pc

Ps

Ts Ty

75 50 25

5 0

100

PR

ES

IÓN

RGA 10,000-20,000 m3/m3

o 0.75-0.80 gr/cm3

%C7+ 1 - 3%

DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS HUMEDO (Méndez L.T.)

TEMPERATURA

GAS

A

B

Py, Ty

Ps

Ts Ty

PR

ES

IÓN

LIQUIDO

Pc

RGA >20,000

m3/m3

o < 0.70 gr/cm3

%C7+ <1%

B

DIAGRAMA DE FASE CARACTERISTICO DE LOS YACIMIENTOS DE GAS SECO (Méndez L.T.)