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dalton
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Unidad: Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos
Edición Fecha de Edición No. 1 AGO/2015
Departamento: Ingeniería Petrolera
Materia: Propiedades de Los Fluidos Petroleros
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
Ley de Boyle, Charles, Avogadro, Amagat
MATERIA: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS PETROLEROS
CARRERA: INGENIERÍA PETROLERA.
SEMESTRE: QUINTO
GRUPO: C
DOCENTE: ING. KARINA SASTRÉ ANTONIO
ELABORADO POR:
Romero Jacobo Christhian Alondra. 13082272
Unidad: Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos
Edición Fecha de Edición No. 1 AGO/2015
Departamento: Ingeniería Petrolera
Materia: Propiedades de Los Fluidos Petroleros
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN......................................................................................................2
LEY DE BOYLE................................................………………………………………..3
LEY DE CHARLES...................................................................................................4
LEY DE AVOGADRO...............................................................................................5
LEY DE AMAGAT………..........................................................................................6
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA...................................................12
CONCLUSIÓN........................................................................................................17
REFERENCIAS......................................................................................................18
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Unidad: Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos
Edición Fecha de Edición No. 1 AGO/2015
Departamento: Ingeniería Petrolera
Materia: Propiedades de Los Fluidos Petroleros
INTRODUCCIÓN
El petróleo y el gas natural se han formado por la transformación de la materia
orgánica vegetal y animal, cuya estructura molecular ha sufrido alteraciones por
efecto de altas temperaturas, acción de bacterias y microorganismos, altas presiones
en el subsuelo y otros agentes a lo largo de millones de años. Esta teoría es la más
aceptada actualmente.
La Teoría Inorgánica explica el origen de estos hidrocarburos gracias a la
combinación de elementos químicos como el carbono y el hidrogeno sometidos a
altas temperaturas y presiones, ubicados en capas muy profundas de la tierra.
La materia orgánica se fue transformando muy lentamente, no solo por la
presión y temperatura sino también por la actividad química de microorganismos y
quizás, por otras acciones y reacciones, naturales que la ciencia no ha logrado
identificar. Luego toda esa mezcla antes mencionada fue expulsada de su espacio
original por las presiones existentes en el subsuelo y se desplazaron hacia arriba. Se
mezclaron, formaron pequeños caudales que se movían constantemente. Había
gases y líquidos que a veces seguían una misma ruta; otras veces ascendían en
direcciones diferentes. El interior de la tierra presentaba espacios intercomunicados
de poros microscópicos, grietas, resquebrajamientos que daban paso a los pequeños
caudales de burbujas y gotas que en millones de años se convirtieron en grandes
volúmenes de energía fósil en movimiento. Algunos hidrocarburos encontraron el
camino libre hasta la superficie y aparecieron en forma de menes de petróleo o
emanaciones de gas. Otros quedaron atrapados en estructuras de rocas que por su
forma y compactación les impedían el paso. Son los depósitos naturales que se
conocen en la industria petrolera como yacimientos.
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1. LEY DE BOYLE (Relación Temperatura - Volumen)
La ley de Boyle-Mariotte expresa que: "El volumen de un gas, a temperatura
constante, es inversamente proporcional a la presión". Por lo tanto, si K es una
constante de proporcionalidad:
V= KPo PV=K
En forma experimental, Robert Boyle (1662) encontró que el volumen de un
gas encerrado disminuye conforme la presión aumenta si la temperatura y la masa
del gas permanecen constantes.
Gráfica 1. El gas es constante
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…………………. Ec. 1
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El volumen de un gas varía en forma inversamente proporcional a la presión, si se
mantiene constante la temperatura y la masa del gas.
P1V 1=P2V 2=P3V 3=K
La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es
inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es
constante.
Fig. 1. Presión inversamente proporcional
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…………………. Ec. 2
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2. LEY DE CHARLES (Relación entre la temperatura y el volumen de un gas
cuando la presión es constante)
En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la
temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se
aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el
volumen disminuía.
Fig. 2. Gas a presión constante
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El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:
Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.
Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.
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¿Por qué ocurre esto?
Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con
más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto
quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se
producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y
aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se
iguale con la exterior).
Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen
constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo
valor.
Matemáticamente podemos expresarlo así:
VT
=K
(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una
temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un
nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:
V 1T 1
=V 2T2
que es otra manera de expresar la ley de Charles.
Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que
cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar
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…………………. Ec. 3
…………………. Ec. 4
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el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de
temperatura.
Ejemplo:
Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál será su nuevo volumen si bajamos
la temperatura a 10 °C?
Recuerda que en estos ejercicios siempre hay que usar la escala Kelvin.
Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:
T 1=(25+273)K=298K
T 2=(10+273)K=283K
Ahora sustituimos los datos en la ecuación:
V 1T 1
=V 2T2
2.5 L298K
=V 2283 K
Si despejas V 2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 2.37 L .
3. LEY DE AVOGADRO (Relación entre la cantidad de gas y su volumen)
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…………………. Ec. 3
…………………. Ec. 1
…………………. Ec. 2
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Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la
relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la
temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles.
Fig. 3. Gas y volumen, se mantienen cte. la temperatura y la presión
¿Por qué ocurre esto?
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El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen. Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.
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Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que
al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las
paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del
recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia
arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir,
mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las
paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original.
Según hemos visto en la animación anterior, también podemos expresar la ley de
Avogadro así:
Vn
=K
(el cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante)
Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al
comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2,
entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá:
V 1n1
=V 2n2
que es otra manera de expresar la ley de Avogadro.
Ejemplo:
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…………………. Ec. 2
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Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de
gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión
constantes)
Solución: Usamos la ecuación de la ley de Avogadro:
V 1n2=V 2n1
(3.50 L)(1.40mol )=(V 2)(0.875mol)
Comprueba que si despejamos V 2 obtenemos un valor de 5.60 L
4. LEY DE AMAGAT
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Una ley similar a la de Dalton es la Ley de Amagat de los volúmenes parciales. Dice
que en una mezcla de gases, el volumen total puede ser considerado como la suma
de los volúmenes parciales de los constituyentes de la mezcla:
V T=V 1+V 2+…V i
El volumen parcial de cada constituyente es el volumen que ocuparía el gas si
estuviera presente solo a una temperatura dada y a la presión total de la mezcla. Se
puede calcular mediante:
V i=X iV T
en donde Xi es la fracción mol del i-ésimo componente y esta dado por el cociente
entre el número de moles de " i " (ni) respecto al número total de moles (nT):
X i=ninT
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA
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…………………. Ec. 2
…………………. Ec. 3
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La predicción del comportamiento real de los gases y sobre todo de una
mezcla de ellos, como lo es el gas natural, resulta sumamente compleja en la
práctica cuando se trata de considerar cada caso en particular, es por esto que se ha
acudido al concepto de un fluido imaginario y perfecto el cual se le ha denominado
GAS IDEAL. Este concepto servirá en nuestro estudio del comportamiento,
perfectamente predecible analíticamente, será medida del grado de desviación que
presentan los gases reales en su comportamiento y por lo tanto medida de cuanto
habrá que ajustar las ecuaciones que describen el comportamiento del gas ideal a fin
de que sean capaces de poder predecir el comportamiento de los gases reales.
Según la teoría cinética molecular, un gas ideal es un fluido formado por moléculas
que son partículas sin volumen de geometría puntual y que no presentan fuerzas de
interacción entre sí. El fluido es completamente homogéneo de baja densidad y
viscosidad despreciable y sin forma propia adoptando la del recipiente que lo
contiene. En forma más específica, un gas ideal es un gas imaginario que obedece
estrictamente ciertas leyes simples como las de Boyle, Charles, Dalton y Amagat. La
definición que acabamos de dar, solo se cumple aproximadamente en la práctica
cuando un gas real se encuentra sometido a bajas presiones y temperaturas
moderadamente bajas cercanas a las ambientales, pero al incrementarse tanto la
presión como la temperatura, los gases abandonan este comportamiento ideal a
causa de que en la práctica existen fuerzas de interacción entre las moléculas que lo
constituyen, el volumen de dichas partículas no es despreciable y presentan cierta
viscosidad. Con el objeto de poder comparar las propiedades volumétricas de los
diversos gases, se han seleccionado, por costumbre, varios estados estándar de
temperaturas y presiones especificadas arbitrariamente, que se conocen como
condiciones estándar y se abrevian como CE o CN. Las condiciones estándar de
temperatura y presión más comunes son: La científica universal que utiliza como
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temperatura 32ºF y como presión 760 mmHg (o sus equivalentes en otras unidades)
y la industria del gas natural, que usa 60ºF y 14.7 Lpca.
En la mayoría de los casos, el ingeniero tendrá que trabajar con mezclas de
gases más que con un solo gas. Existen dos leyes de los gases ideales que pueden
aplicarse satisfactoriamente a las mezclas gaseosas: La Ley de Dalton de la Presión
Total y de las Presiones Parciales y la Ley de Amagat de los volúmenes Parciales.
Dalton postuló que se puede considerar hipotéticamente que cada gas individual de
una mezcla gaseosa ejerce una presión parcial, la cual es la presión que se
obtendría si la misma masa del gas individual se encontrara sola en el mismo
volumen total a la misma temperatura. Igualmente Dalton Propuso que la presión
total de un gas es igual a la suma de las presiones ejercidas por las moléculas
individuales de dicho gas. La suma de las presiones parciales de cada componente
en la mezcla gaseosa es igual a la presión total y representa la ley de Dalton de la
suma de las presiones parciales.
Como se apuntó en la sección anterior, a medida que la presión y la
temperatura aumentan, los gases comienzan a presentar un comportamiento PVT
diferente al que predice la ecuación general, “PV = nRT”, por lo cual esta deja de
tener aplicación y se hace necesario buscar una nueva forma de interpretar
analíticamente el comportamiento PVT de los gases y mezclas gaseosas. Para lograr
esto se han desarrollado varios métodos, el primero ha sido el de las ecuaciones de
estado: Van Der Waals, Beattie-Bridgeman, Benedict-Webb-Rubin, Martin-Hou, etc.
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Las cuales son ecuaciones del tipo polinómica de 2, 5, 8 y hasta 10 términos. Estas
relaciones son un poco difíciles de utilizar en la práctica debido a su complejidad
aritmética, pero encuentran utilización cuando se emplean computadores digitales. El
segundo método desarrollado es el Factor de Compresibilidad (Z). Este es de fácil
aplicación práctica y se basa en el principio de los estados correspondientes. El
factor Z, por definición, es la razón el volumen que realmente ocupa un gas a
determinada presión y temperatura con respecto al volumen que ocuparía ese mismo
gas si se comportara como ideal.
Propiedades de los Fluidos del Yacimiento.
El estudio del comportamiento de los yacimientos requiere el conocimiento de
sus propiedades físicas. Estas propiedades se determinan en el laboratorio mediante
el análisis de muestras de fondo o de superficie. Las propiedades de los fluidos
dependen de: 9 Composición de las mezclas de hidrocarburos. 9 Presión. 9
Temperatura. Durante años los ingenieros de campo han utilizado correlaciones
empíricas cuando no se dispone de los análisis de laboratorio para determinar las
propiedades físicas de los fluidos, necesarias para el análisis del comportamiento de
yacimientos, cálculo de reservas y diseño de equipos. PVT en Yacimientos de
Petróleo. Tres parámetros básicos: Presión, Volumen y Temperatura (PVT) son los
que gobiernan en gran parte el comportamiento de producción de un yacimiento de
petróleo. Se llama análisis PVT al conjunto de pruebas que se hacen en el
laboratorio para determinar las propiedades, y su variación con presión, de los fluidos
de un yacimiento petrolífero. Para que un análisis PVT simule correctamente el
comportamiento de un yacimiento es necesario que la muestra sea representativa del
fluido (mezcla de hidrocarburos) original en el yacimiento. Cuando el yacimiento es
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pequeño, una muestra es representativa del fluido almacenado en la formación; lo
contrario sucede en los yacimientos grandes, donde se requiere de varias muestras.
Estos análisis de laboratorio simulan los tipos de liberación gas-petróleo que ocurren
durante el flujo de petróleo desde el yacimiento hasta los separadores, las cuales se
basan en dos procesos termodinámicos
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CONCLUSIÓN
El estudio del comportamiento de los yacimientos requiere el conocimiento de
sus propiedades físicas. Estas propiedades se determinan en el laboratorio mediante
el análisis de muestras de fondo o de superficie. Las propiedades de los fluidos
dependen de: 9 Composición de las mezclas de hidrocarburos. 9 Presión. 9
Temperatura. Durante años los ingenieros de campo han utilizado correlaciones
empíricas cuando no se dispone de los análisis de laboratorio para determinar las
propiedades físicas de los fluidos, necesarias para el análisis del comportamiento de
yacimientos, cálculo de reservas y diseño de equipos.
Se relaciona con el método de Standing-Katz, donde se aprecia el factor
volumétrico, es el volumen de gas a condiciones de yacimiento requerido para
producir una unidad volumétrica de gas a condiciones normales. Puede calcularse
como el cociente entre el volumen ocupado por el gas a temperatura y presión del
yacimiento y el volumen ocupado por el mismo peso del gas a condiciones de
superficie. Estos procesos se basan en procesos termodinámicos.
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BIBLIOGRAFÍA
Apuntes Cientificos. (2007). Obtenido de Apuntes Cientificos Ley de Amagat: http://apuntescientificos.org/avogadro-dalton-ibq.html
Educaplus.org. (2009-2013). leyes de los gases. Obtenido de leyes de los gases: http://www.educaplus.org/gases/ley_boyle.html
Ley de Avogadro . (2009). Obtenido de Ley de Avogadro : http://www.educaplus.org/gases/ley_avogadro.html
porqué el comportamiento de los gases. Ley de Charles. (2008). Obtenido de porqué el comportamiento de los gases. Ley de Charles: http://www.educaplus.org/gases/ley_charles.html
RODRIGUEZ, I. J. (Mayo 2007). Msc, Ph, D. Universida de Oriente: Núcleo de Anzoátegui.
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