Caracterización de fluidos petroleros
¿Qué se entiende por caracterización composicional? composicional?
C7+
•
Un fluido está
C6
caracterizado cuando
se conocen las especies químicas presentes en una mezcla, la cantidad y sus propiedades (Pc, Tc y factor acéntrico).
N2, CO2, H2S
C5 C4 C3 C2 C1
¿Qué es una ecuación de estado?
•
Una ecuación de estado es un modelo matemático que involucra a las variables de estado (para un fluido son presión, temperatura y volumen).
Contenido
te rm od inám ico s • Fun dam ento s term a c i ón ó n a f l u i d o s p e t r o l er er o s • A p l i c ac
• Cálc u lo d e pro p iedad es co n PVTSim
Contenido
• E c u a c i o n e s d e es t a d o p a r a c o m p o n e n t es p u r o s • Trans lación de vo lum en de Penelou x • Ecuacio nes d e estado para m ezclas multicomponentes • A p l i c ac i ón a m ezc l a s c o m p l e jas
Contenido
• E c u a c i o n e s d e es t a d o p a r a c o m p o n e n t es p u r o s • Trans lación de vo lum en de Penelou x • Ecuacio nes d e estado para m ezclas multicomponentes • A p l i c ac i ón a m ezc l a s c o m p l e jas
Gas ideal
•
Un gas ideal es aquel en el cual: – Las colisiones entre las moléculas son perfectamente
elásticas – No existen fuerzas atractivas intermoleculares.
Pv
•
RT
Un gas ideal se puede imaginar como un conjunto de esferas duras que colisionan pero que no interactúan entre ellas.
Gas real
Un gas tiene un comportamiento cercano al ideal a condiciones de baja temperatura y presión. • Para los fluidos reales, las condiciones de idealidad no se cumplen. •
Pv
•
zRT
El término z es el factor de compresibilidad, cuando z = 1 se tiene un gas ideal.
Principio de estados correspondientes
•
El principio establece que todas las sustancias se comportan de forma similar cuando tienen la misma proximidad a su punto crítico. P R
•
P
P C
T R
T
T C
Las desviaciones al principio se deben a las estructura molecular de las especies, lo que lleva a diferentes fuerzas intermoleculares.
El factor acéntrico
•
Pitzer encontró que la presión de vapor reducida para sustancias esféricas (Ar, Kr y Xe) caen en la misma curva a P R =0.1 y T R =0.7.
P S log 1.0 P C a T 0.7 R
•
Este factor es cero para especies esféricas y positiva para otros compuestos excepto H y He.
Factores de compresibilidad generalizados ( Z )
Factores de compresibilidad generalizados.
Método de Pitzer Carta para Z
Información necesaria de cada especie
•
Para conocer las propiedades de una sustancia pura mediante el principio de estados correspondientes, es necesario conocer:
– Presión crítica. – Temperatura crítica. – Factor acéntrico.
Ecuaciones de estado cúbicas
•
En la industria petrolera las ecuaciones de estado más ampliamente empleadas son las cúbicas. Éstas se basan en la ecuación de estado de van der Waals. a P v b RT v 2
•
En la ecuación, a/v 2 es el término atractivo y b el término repulsivo, a este término se le denomina comúnmente covolumen.
Características de la ecuación de van der Waals
La ecuación de estado de van der Waals no predice correctamente el comportamiento de fluidos densos. • Se han hecho múltiples modificaciones. • Los parámetros a y b que se obtienen de las condiciones en el punto crítico, estas se han modificado en base a datos experimentales. • Las modificaciones han mejorado su capacidad predictiva modificando su término atractivo. •
Ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong
P
v b
a
v vb
1
m
0.480 1.574 0.176
3
z
•
RT
0.5
m 1 T R
2 z
2
2
( A B B 2 ) z AB 0
La ecuación permite predecir el equilibrio líquido vapor, pero se tiene un error importante en el cálculo de la densidad de líquido.
Ecuación de estado de Peng-Robinson
P
v b
a
v vb
b(v b)
1
m
0.37464 1.5422 0.26992
3
z
•
RT
0.5
m 1 T R
2
2
1 B z 2 ( A 2 B 3 B2 ) z AB B2 B3
0
La ecuación predice de forma incorrecta las densidades de líquido.
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Translación de volumen
Las ecuaciones de estado cúbicas de forma sistemática predicen erróneamente la densidad de líquido. • Una forma de corregir este error es restar al volumen molar una cantidad constante. • Esta idea fue originalmente expuesta por Peneloux y aplicada a la ecuación de SRK. •
v
•
cor
v
c
v cor es el volumen molar corregido y c el factor de corrección.
A éste método se le conoce como translación de volumen.
Ecuación de estado de SRK con corrección de Peneloux
P
c
c'
z RA
•
RT vb
a
v
v c v b 2c
vSRK
c
b bSRK b
c'c' ' T 288.15
0.40768
RT C P C
0.29441
z RA
0.29056 0.08775
Si c ’’ se hace cero con lo que no hay dependencia con T .
Ecuación de estado de PR con corrección de Peneloux
P
c
c'
•
RT v b
a
v c v 2c b b cv b
c'c' ' T 288.15
0.50033
RT C P C
0.25969
z RA
Si c ’’ se hace cero con lo que no hay dependencia con T .
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Reglas de mezclado
•
Las ecuaciones de estado permiten modelar PVT de sustancias puras.
•
Para modelar mezclas es necesario calcular a y b de la mezcla mediante las reglas de combinación o reglas de mezclado.
•
Los a y b evalúan el efecto de las fuerzas atractivas y repulsivas entre las moléculas.
Reglas de mezclado de van der Waals (reglas clásicas)
N
a x i x j ai a j 1 k ij
N
b
i 1
•
x b i
i
i 1
k ij es el parámetro de interacción binaria.
Son válidas para sistemas con componentes similares, han mostrado ser adecuadas para modelar el comportamiento fluidos petroleros. • La regla no toma en cuenta efectos de asimetría, polaridad o asociación. • Considera el efecto de la interacción entre pares moléculas vecinas e ignora las interacciones entre tres o más moléculas •
Características de las reglas de mezclado
•
Las reglas de mezclado que incorporan modelos de actividad permiten evaluar las interacciones entre los componentes de la mezcla debidas a – Polaridad. – Asimetría.
•
Estos efectos son importantes cuando se tiene presencia de agua u otras sustancias.
Contenido
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Regla de mezclado de Huron y Vidal
N
b
x b i
i 1
i
a b
i
ai bi
E
G
C
Permiten tomar en cuenta efecto de polaridad y asimetría. • La constante C depende de la ecuación de estado empleada (SRK, PR). •
Información necesaria para el cálculo de propiedades
•
Para el cálculo equilibrio de fases y propiedades de los fluidos se requiere la siguiente información: – Composición química. – Temperatura y presión críticas y factor acéntrico para
cada especie química en la mezcla. •
Cuando esta información se conoce se dice que se ha caracterizado al fluido.
Contenido
• Car ac ter ís ti c as d el pet róleo • R ec o m b i n a c i ón d e c o r r i en t e s • Caracterización de la fracción p esada
Contenido
• Car ac ter ís ti c as d el pet róleo • R ec o m b i n a c i ón d e c o r r i en t e s • Caracterización de la fracción p esada
Composición del petróleo
El petróleo es una mezcla de miles de componentes. • Muchos de ellos no pueden ser identificados y/o medidos. • Los hidrocarburos encontrados en mayor proporción tienen las siguientes estructuras moleculares. •
Parafinas
Alquenos
Estructura de hidrocarburos encontrados en el petróleo
Naftenos
•
Aromáticos
Existen compuestos con azufre (S), nitrógeno (N), oxígeno (O) y metales presentes en las fracciones pesadas. Se tienen presentes además N 2, H2S y CO2 en diferentes proporciones en función del tipo de yacimiento
Hidrocarburos que se espera encontrar en el petróleo crudo
Contenido
• Car ac ter ís ti c as d el pet róleo • R ec o m b i n a c i ón d e c o r r i en t e s • Caracterización de la fracción p esada
Caracterización de gas y de aceite
Para su caracterización, el petróleo se separa en gas y aceite. • Cuando se lleva a cabo la separación se registra el volumen de cada una de las fases. •
Gas libre
Muestra de petróleo
Aceite + gas disuelto + agua
Caracterización de gas y aceite
• •
• • •
La caracterización de gas se hace mediante cromatografía de gases. El aceite se caracteriza por destilación fraccionada, en ella se miden las propiedades (densidad y peso molecular) de las fracciones recolectadas. El estudio se lleva a cabo en una columna con 15 platos teóricos y relación de reflujo de 5. A este proceso se le conoce como destilación TBP (True Boiling Point). El procedimiento del experimento se describe en la norma ASTM 2992-84, la prueba se desarrolla a presión atmosférica.
Recombinación de corrientes
•
Con la composición del gas, el aceite, el flujo de cada una de estas fases y el agua, es posible conocer la composición original del fluido. Qo
Qgi
Qw
Composición de la muestra de petróleo
Contenido
• Car ac ter ís ti c as d el pet róleo • R ec o m b i n a c i ón d e c o r r i en t e s • Caracterización de la fracción p esada
Reporte de la composición de un fluido
•
Es una práctica común en la industria petrolera reportar la composición de los fluidos de la siguiente forma: – Composición molar de 11 componentes identificables
(H2S, CO2, N2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y hexanos). – Composición de la fracción pesada. •
Para la fracción pesada es indispensable reportar su peso molecular y su densidad relativa.
Caracterización de la fracción pesada
•
La caracterización de la fracción pesada es una actividad que se compone dos etapas. – Dividir la fracción pesada en pseudo componentes de
composición conocida. – Definir el peso molecular y la densidad relativa de cada fracción. •
Con las dos propiedades anteriores es posible calcular la temperatura y la presión críticas así como el factor acéntrico.
Distribución molar de pseudo componentes en fracción pesada
ln z C
n
A' B' n
Caracterización de las fracciones
•
Para cada una de las fracciones se determina el peso molecular y la densidad, con estos datos es posible estimar las propiedades críticas y el factor acéntrico
•
Una vez caracterizadas las fracciones es posible lleva a cabo el cálculo de las propiedades del fluido.
Contenido
• Carac terís tic as d el P VTsi m • Generación d e tablas d e pro piedades
Contenido
• Carac terís tic as d el P VTsi m • Generación d e tablas d e pro piedades
Funcionalidad de PVTSim
•
Junto con OLGA se tiene instalada un versión limitada de PVTSim. Con ella es posible: – Caracterizar fluidos. – Ajustar puntos de saturación. – Mezclar fluidos en base volumétrica, másica o molar. – Realizar separaciones en una etapa de equilibrio (cálculos – – – –
flash). Calcular propiedades de los fluidos. Elaborar tablas de propiedades. Exportar características de los fluidos para CompTrack Trazar envolventes de fases.
Envolventes de fases •
Una envolvente de fases es un diagrama de equilibrio de fases en el plano PT, en él se reconocen las siguientes regiones y puntos característicos. Cricondenbara
Punto crítico
Región de dos fases
C r i c o n d e n t e r m a
Ecuaciones de estado implementadas en PVTSim
•
En PVTSim se tienen con las siguientes ecuaciones de estado: – Soave-Redlich-Kwong (SRK). – Peng-Robinson (PR). – Soave-Redlich-Kwong con modificación de Peneloux
(SRK-P). – Peng-Robinson con modificación de Peneloux (PR-P). •
Se emplea la regla de mezclado de van der Waals para mezclas de hidrocarburos. Para sistemas con agua se emplean las reglas de mezclado de Huron y Vidal.
Contenido
• Carac terís tic as d el P VTsi m • Generación d e tablas d e pro piedades
Concepto de tabla de propiedades
•
Las tablas de propiedades se componen por puntos de equilibrio a T y P en los cuales se calculan las propiedades de interés para la simulación. – Densidad. – Derivada parcial de la densidad respecto a P. – Derivada parcial de la densidad respecto a T. – Fracción másica de gas en el aceite. – Viscosidad. – Capacidad calorífica. – Entalpía. – Conductividad térmica. – Tensión superficial. – Entropía.
Etapas en la construcción de tablas de propiedades
•
Las etapas en la construcción de las tablas de propiedades se listan a continuación: – Definición de composición de los fluidos. – Definir fracciones componentes de las mezclas (si
existen). – Establecer temperaturas y presiones para cálculo de propiedades. – Definir el número de puntos en la tabla. – Revisar de tablas y corregirlas (es una práctica recomendada).