CARACTERIZACION DEL PETROLEO 1. OBJETIVO GENERAL Determinar las propiedades físicas que presenta una muestra de crudo para poder caracterizarlo. Calcular la VGC (viscosidad(viscosidad - gravedad constante) constant e) para ayudar a caracterizar caracteriza r una muestra de hidrocarburos. hidrocarburos.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO Las propiedades fisicoquímicas de los petróleos varían con su procedencia, incluso si se trata de distintos pozos de un mismo yacimiento. La bibliografía especializada habla de hidrocarburos de más de 80 átomos de carbono presentes en los petróleos que, pensando en la cantidad de isómeros posibles y las series que puede haber involucradas, dan mezclas sumamente complejas. Entalpia Propiedades termodinámicas
Capacidad calorífica Factor de compresibilidad compresibilidad Constante de equilibrio K Curva flash
Propiedades de transporte
Propiedades Propiedades físicas
Viscosidad Conductividad Conductividad térmica Difusividad Densidad Volumen
Específicamente para la realización de este laboratorio realizaremos la determinación de la densidad y la viscosidad de una muestra de petróleo.
2.1 DENSIDAD Es una propiedad que ha encontrado amplio uso en la industria para la evaluación preliminar del carácter y la calidad del petróleo crudo. La densidad es la masa de un volumen unitario de material a una temperatura específica
= La gravedad específica para un petróleo liquido se define como la relación entre la masa de un volumen de una sustancia entre la masa del mismo volumen de agua. Ambas
densidades de petróleo y agua son las mismas a condiciones de presión y temperatura estándar, 14,7 psia (1 atm) y 60/60 F (15.6/15.6 C).
̊
̊
=
La gravedad específicaestá influenciada por la composición química del petróleo, pero la correlación cuantitativa es difícil de establecer. Sin embargo, se reconoce generalmente que cantidades aumentadas de compuestos aromáticos dan como resultado un aumento de la densidad, mientras que un aumento en los compuestos saturados dan como resultado una disminución de la densidad. De hecho, también es posible reconocer ciertas tendencias preferidas entre la densidad del petróleo y una u otra de las propiedades físicas. Por ejemplo, existe una correlación aproximada entre la densidad (gravedad API) y contenido de azufre, residuo de carbono de Conradson (Speight,2000) Sin embargo, en la industria del petróleo la gravedad API (American PetroleumInstitute) es más usada. Esta es una escala arbitraria, calibrada en grados y que relaciona la gravedad específica, por medio de la siguiente formula
= 141.5 131.5
°
Petróleos pesados tienen un bajo API y petróleos livianos tienen elevada gravedad API.
La medida de densidad de una fracción de petróleo y de un crudo son llevadas a cabo según normas ya establecidas, por medio de un densímetro (ASTM D287, ASTM D1298, ASTM D1657, IP 160), un picnómetro (ASTM D70, ASTM D1217, ASTM D1480 y ASTM D1481) o un densímetro digital (ASTM D4052) y una densidad digital Analizador (ASTM D5002). No todos estos métodos son adecuados para medir la densidad o gravedad específica del aceite pesado y del betún aunque algunos métodos se prestan a la adaptación. La gravedad API de una materia prima (ASTM D287) se calcula directamente a partir de la gravedad específica. El método del picnómetro (ASTM D70, ASTM D1217, ASTM D1480, ASTM D1481) para determinar la densidad es fiable, preciso y requiere muestras de ensayo relativamente pequeñas. Sin embargo, debido al tiempo requerido, a menudo se prefieren otros métodos tales como el uso del hidrómetro (ASTM D1298), el densímetro (ASTM D4052) y el analizador de densidad digital (ASTM D5002).
2.1.1 USO DEL HIDROMETRO PARA DETERMINACION DE DENSIDAD (ASTM D1298) Este método de ensayo cubre la determinación de laboratorio utilizando un hidrómetro a la temperatura de referencia o en otra temperatura conveniente y las lecturas se corrigen a la temperatura de referencia mediante las Tablas de Medición del Petróleo; Los valores obtenidos a una temperatura distinta de la de referencia son las lecturas del hidrómetro y no las mediciones de la densidad. Valores determinados como densidad, densidad relativa o la gravedad API se puede convertir a valores equivalentes en las otras unidades a temperaturas de referencia alternas por medio de las Tablas de Medición del Petróleo. La muestra se lleva a una temperatura especificada y la porción de prueba se transfiere a un cilindro de hidrómetro que se ha llevado aproximadamente a la misma temperatura. El hidrómetro apropiado, también a una temperatura similar, se baja a la porción de ensayo y se deja sedimentar. Después de alcanzar el equilibrio de temperatura, se lee la escala del hidrómetro y se toma la temperatura de la porción de prueba. La lectura del hidrómetro observada se reduce a la temperatura de referencia mediante las Tablas de Medición del Petróleo. Si es necesario, el cilindro del hidrómetro y su contenido se colocan en un baño a temperatura constante para evitar variaciones excesivas de temperatura durante el ensayo. Este método de prueba es el más adecuado para determinar la densidad, densidad relativa (gravedad específica) o gravedad API de líquidos transparentes de baja viscosidad. Este método de ensayo también se puede usar para líquidos viscosos al permitir un tiempo suficiente para que el hidrómetro alcance el equilibrio y para los líquidos opacos empleando una corrección de menisco adecuada. Densidad, densidad relativa (gravedad específica) o gravedad API es un factor de la calidad y la fijación de precios del petróleo crudo. Sin embargo, esta propiedad del petróleo es una indicación incierta de su calidad a menos que esté correlacionada con otras propiedades.
2.1.2 HIDROMETRO Los Densímetros o Hidrómetros son tubos de vidrios con una plomada interna y con una escala graduada, los cuales se sumergen en el líquido de densidad desconocida. Dependiendo de la densidad del líquido, el densímetro requerirá sumergirse más o menos en el fluido para equilibrarse, pudiéndose leerse al nivel del líquido el valor de la densidad relativa.
Este equipo está constituido por un cilindro de vidrio transparente, plástico o metal. El diámetro interior del cilindro deberá ser por lo menos 25 mm mayor que el diámetro exterior del hidrómetro y la altura deberá ser tal que el hidrómetro apropiado flote en la parte de prueba con un espacio mínimo de 25 mm entre el fondo del hidrómetro y el fondo del El cilindro. Se requiere para su uso un baño de temperatura constante, si es necesario, de dimensionesque puedan alojar el cilindro hidrómetro con la parte de prueba sumergida por completo por debajo de la superficie del líquido de la porción de ensayo y un sistema de control de temperatura capaz de mantener la temperatura del baño dentro de 0,25ºC de
la
temperatura
de
ensayo
durante
toda
la
duración
del
ensayo.
También se usa una varilla de agitación, opcional, de vidrio o plástico, de aproximadamente 400 mm de longitud.
FIG. 1 lectura de la escala del hidrómetro para líquidos transparentes
FIG. 2 Lectura de la escala del hidrómetro para fluidos opacos Los densímetros para crudo pueden ser hidrómetros o termo hidrómetros. La única diferencia radica en que el termo hidrómetro contiene en su interior un termómetro (también de Hg), con el que se pueden realizar mediciones de temperatura. Resulta este último, como tener dos instrumentos en uno, los hidrómetros y termo hidrómetros deben cumplir las exigencias de f abricación manifestados por la normativa API y ASTM. Vienen en rangos de aprox. 10°API. Los rangosque se manejan son de 9 – 21 (crudo pesado), 19 - 31 (mediano), 29 – 41 y 39 51°API (livianos). Adicionalmente, los termo hidrómetros incluyen termómetros que miden en rangos de 0 – 150 ó 60 – 220°F;su menor división es de 2°F. Se recomienda tener buen manejo y cuidado con el instrumento para evitar su descalibración (evitar cambios abruptos de temperatura, choques térmicos).
2.2
VISCOSIDAD
La viscosidad es probablemente la propiedad física más importante en un petróleo. Esta es la medida de la característica del hidrocarburo, entre más espeso sea, mayor es su viscosidad y mayor su resistencia a fluir. Este fenómeno se atribuye a la atracción entre moléculas y es una medida del rozamiento interno entre las moléculas originadas por cohesión molecular (fuerza de atracción entre moléculas). Matemáticamente la viscosidad se expresa por la relación entre el esfuerzo de corte o cizallamiento y la taza de corte o cizallamiento. Examinemos el caso de dos (2) placas paralelas (figura 1), suficientemente grandes para que las condiciones de contorno se puedan despreciar, separadas una distancia pequeña Y, estando el espacio entre ellas llena de fluido. Se supone que la superficie inferior es
estacionaria, mientras que la superficie superior se mueve en dirección paralela, a una velocidad U debido a la aplicación de una fuerza F que se corresponde con alguna área A de la placa móvil.
En los contornos, las partículas de f luido se adhieren a las paredes, por lo que su velocidad es cero con respecto a la pared. Esta condición, llamada condición de no deslizamiento, ocurre con todo fluido viscoso. Como consecuencia en la figura Nº1 la velocidad del fluido en contacto con la placa inferior tiene que ser cero mientras que la velocidad del fluido en contacto con la superficie superior tiene que ser U. la forma de la variación de la velocidad con la distancia entre las dos superficies se denomina perfil de velocidades. Si la separación entre las placas Y, y la velocidad relativa entre ellas U no son demasiado grandes, y si el flujo neto de fluido a través del espacio entre las placas es nulo, se producirá un perfil de velocidades lineal, como el que se muestra en la figura Nº1. El comportamiento es como si el fluido estuviera compuesto de una serie de capas finas, cada una de las cuales se desliza un poco en relación a la siguiente. Se ha demostrado en experimentos que una gran cantidad de fluidos en las condiciones anteriores cumple la siguiente relación:
∝ Por semejanza de triángulos en la figura Nº1, U/Y se puede reemplazar por el gradiente de velocidades du/dy. Si se introduce ahora una constante de proporcionalidad μ, el esfuerzo cortante τ entre dos (2) capas finas de fluido cualesquiera se puede expresar como:
= = = . La forma transpuesta de la ecuación anterior sirve para definir la constante de proporcionalidad:
=
Que se denomina coeficiente de viscosidad, viscosidad absoluta, viscosidad dinámica o simplemente viscosidad del fluido. Las dimensiones de la viscosidad absoluta son fuerza por unidad de área partido por el gradiente de velocidad. En el sistema internacional de unidades (SI), las unidades de viscosidad absoluta son las siguientes:
∗ / = = = = ∗= − ∗ En el sistema británico de unidades, las unidades de viscosidad absoluta son las siguientes:
∗ / = ⁄ =
Viscosidad cinemática (ν), así denominada por que la fuerza no está involucrada en las dimensiones, quedando únicamente la longitud y el t iempo, como en cinemática. De esta forma:
[ ] /∗ == = / = = [] La viscosidad cinemática se mide habitualmente en m2/seg en el sistema internacional, y en ft2/seg en el sistema británico de unidades. Anteriormente, las unidades utilizadas en el sistema (CGS) eran cm2/seg, también denominado Stoke (St). El centistoke (cSt) (0.01St = 10-6m2/seg) era la unidad más conveniente en muchas ocasiones.
2.2.1 USO DE CAPILARES PARA DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD (ASTM D445) Es quizás el modelo que más se ha utilizado en la medida de viscosidades absolutas y relativas en líquidos puros y biológicos, en sus mezclas y, especialmente, en fluidos newtonianos. Se basa en la ley de Poisseuille que permite conocer la velocidad de flujo de un líquido a través de un tubo, en función de la diferencia de presiones bajo las que se establece el desplazamiento. Este método cubre la determinación de la viscosidad cinemática de los productos petrolíferos líquidos (Notas 1 y 2), tanto transparentes como opacas, midiendo el tiempo de flujo de un volumen
fijo de líquido a una temperatura dada a través de instrumentos capilares de vidrio calibrados, utilizando "flujo de gravedad". Se da un procedimiento para el cálculo de viscosidades dinámicas a partir de viscosidades cinemáticas medidas.
NOTA I.- Se exceptúan los betunes; Para la medición similar de su viscosidad (Método ASTM D 2170, Ensayo de Viscosidad Cinemática de Asfaltos y Método ASTM D 2171, Ensayo de Viscosidad Absoluta de asfaltantes).
NOTA 2.- El método está destinado al uso con líquidos, en los que la velocidad de cizallamiento es proporcional al esfuerzo de cizallamiento (flujo newtoniano). La constante de proporcionalidad es el coeficiente de viscosidad. Con ciertos productos que presentan un comportamiento similar al gel, se debe tener cuidado de que se hagan mediciones a temperaturas suficientemente altas para que tales materiales fluyan libremente, de modo q ue se obtengan resultados similares en viscosímetros de diferentes diámetros capilares.
2.2.2 USO DE VISCOSIMETRO ELECTRONICO PARA DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD Algunos términos y definiciones que son pertinentes para comprender las formulas y cálculos
Termino Esfuerzo
Símbolo
de corte
Unidad
Definición
Pa
La fuerza por unidad de superficie requerida
100
para mover un fluido a una velocidad de corte dada. El esfuerzo cortante se mide en viscosímetro de campo por la deflexión del dial del medidor a una velocidad de corte dada. La lectura especifica del dial es generalmente denotada por θ.
viscosidad
Poisses Cp Pa-s
La viscosidad del fluido se puede medir en un punto determinado o sobre una amplia escala de mediciones de esfuerzo cortante por índice de corte
Velocidad de corte
−
Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del canal a través del cual el flujo se desplaza en forma laminar
El viscosímetro electrónico de seis velocidades, es ampliamente usado alrededor del mundo tanto en el campo como en el laboratorio, para la medición precisa de propiedades físicas de los f luidos.
Se trata de un viscosímetro de lectura directa y constituye un instrumento reológico superior, el fluido en el espacio anular entre el flotante y la camisa es sometida a corte mediante la rotación de la camisa, aquí podemos nuevamente pensar que el cuerpo de fluido en ese espacio anular está formado por capas concéntricas cilíndricas, esta vez sin embargo, el flujo de fluido es rotacional, en vez de longitudinal. La capa más externa del fluido se mueve a la misma velocidad que la camisa. La velocidad de corte está relacionada con la velocidad de rotación de la camisa. A una velocidad constante de rotación la cantidad de torsión impartida al flotante está determinada por la resistencia que cada capa de fluido ofrece al desplazamiento de las capas vecinas es decir por la tensión del corte. El principio que rige el viscosímetro Fann está basado en la Ley de Newton, este principio mide el momento rotacional necesario para rotar un vástago interior, en un recipiente estacionario lleno de fluido, en este caso de crudo. Las seis velocidades son 3, 6, 100, 200, 300 y 600 rpm. Las velocidades pueden cambiarse sin parar el rotor, por medio de una perilla de control. El dato de tensión de corte se muestra continuamente vía un dial iluminado y aumentado, el cual elimina el brillo y hace más fácil la visión de la lectura.
= 2 [] = []
Las limitaciones del viscosímetro Fann son los mismos que afectan a la reologia y estos factores son: la presión, Temperatura, Oxidación del fluido y contenido de sólidos. Para entender de mejor manera lo que tratamos de desarrollar ahora, es la relación que utilizaremos para obtener la viscosidad cinemática. Sabiendo que los fluidos newtonianos son aquellos en que existe una relación lineal entre el esfuerzo y la velocidad de corte, por lo que al graficar estas propiedades reológicas (esfuerzo de corte como la variable dependiente y velocidad de corte como la variable independiente) se forma una recta, la viscosidad de un fluido newtoniano es constante debido a que esta es la pendiente de la recta formada
Ejemplo de cálculo:
Velocidad (RPM)
Esfuerzo de corte
600
8
300
4
100
1,5
3
0,08
Velocidad de corte a 600 RPM:
(−) = 600 ∗ 1,703 (−) = 1021.8 esfuerzo de corte a 600 RPM:
8 453 100 = 100 ∗ 1 ∗ 92903,04
=3,9 Utilizando la ecuación de viscosidad de newton:
3,9 = 0,038 [] = = 1021,8 2.3 CONSTANTE VISCOSIDAD-GRAVEDAD Es un parámetro utilizado para relacionar la composición y el tipo de hidrocarburo predominante. Se determina con la norma ASTM D2501 y se calcula por medio de la siguiente ecuación:
= 0,06640,1154∗∗(5,5) 0,940,109∗log(5,5) , 0,1080,0255∗∗(0,8) = 0,900,097∗log(0,8) Donde: V es la viscosidad cinemática en cStk a 40 C G es la densidad a 15 C en g/ml
La ecuación la ecuación es para una viscosidad cinemática a 100 C y para una densidad a ese mismo valor.
De a cuerdo con el método, los crudos parafínicos presentan valores de VGC cercanos a 0,800, los crudos nafténicos tienen valores cercanos a 0,900 y los crudos aromáticos presentan valores alrededor de 1,0.
La constante VGC no es aplicable a crudos residuales, ni material asfaltico o muestras que contengan cantidades apreciables de compuestos que no son hidrocarburos.
3. PROCEDIMIENTO 3.1 PROCEDIMIENTO PARA HIDROMETRO a) Colocar el cilindro del hidrómetro, limpio, seco y a temperatura ambiente, sobre un plano horizontal libre de corrientes de aire que varíen la temperatura de la muestra por más de 2 ° C, durante el tiempo necesario para completar el ensayo. Cuando la temperatura de la porción de ensayo difiere en más de 2ºC de la temperatura ambiente, utilice un baño a temperatura constante para mantener una temperatura uniforme durante toda la duración del ensayo.
b) Transfiera la muestra al cilindro de hidrómetro limpio estabilizado, sin salpicaduras, para evitar la Formación de burbujas de aire y minimizar la evaporación de los componentes de menor punto de ebullición de las muestras más volátiles.
c) Retire las burbujas de aire formadas después de haberlas recogido en la superficie de la porción de prueba, tocando con un pedazo de papel de filtro limpio antes de insertar el hidrómetro.
d) Inserte el termómetro o dispositivo de medición de temperatura adecuado y agite la porción de prueba con una varilla de agitación, manteniendo toda la columna de mercurio sumergida en el líquido, utilizando una combinación de movimientos verticales y de rotación para asegurar una temperatura y densidad uniformes en todo el cilindro del hidrómetro. Registre la temperatura de la muestra a 0,1 ° C más cercano y retire el termómetro / dispositivo de medición de temperatura y la varilla de agitación del cilindro del hidrómetro. Eliminar nuevamente cualquier burbuja de aire.
NOTA -Si se utiliza un termómetro de líquido en vidrio, esto es comúnmente Utilizado como barra de agitación.
e) Sumergir el hidrómetro en la muestra dejándolo descender suavemente, cuando este permanezca en reposo presionarlo para que descienda dos divisiones de la escala y luego dejarlo que flote libremente, pero sin que toque las paredes del recipiente. Se mantiene el vástago del hidrómetro seco para evitar lecturas erróneas. Para los líquidos viscosos opacos, permita que el hidrómetro asentarse lentamente en el líquido.
f) Deje tiempo suficiente para que el hidrómetro llegue a descanso, y para que todas las burbujas de aire lleguen a la superficie. Retire las burbujas de aire antes de tomar una lectura (véase c).
g) Cuando el hidrómetro ha llegado a reposar flotando libremente lejos de las paredes del cilindro, leer la lectura de la escala del hidrómetro (gravedad API) anotando la lectura más próxima al punto en el cual el nivel del líquido intercepta la escala del hidrómetro. Medir nuevamente la temperatura, introduciendo el termómetro a la muestra. Registre la temperatura de la porción de prueba a 0,1 ° C. Si esta temperatura difiere de la lectura anterior por más de 0.5 ° C, repita las observaciones del hidrómetro y las observaciones del termómetro hasta que la temperatura se estabilice dentro de los 0.5 ° C. Si no se puede obtener una temperatura estable, coloque el cilindro del hidrómetro en un baño a temperatura constante y repita el procedimiento desde d).
h) Para líquidos opacos registre la lectura del hidrómetro en el punto de la escala del hidrómetro al que se eleva la muestra, observando con el ojo ligeramente por encima del plano de la superficie del líquido (véase la figura 2).
NOTA -Cuando se prueban líquidos opacos utilizando un cilindro de hidrómetro metálico, las lecturas exactas de la escala del hidrómetro sólo pueden asegurarse si la superficie del líquido está a 5 mm de la parte superior del cilindro.
i) corregir la medición de la gravedad a la temperatura estándar de 60 ºF, utilizando las tablas respectivas de los factores de corrección.
3.2 PROCEDIMIENTO PARA VISCOSIMETRO FANN a) Añadir 350ml de muestra al recipiente recolector del viscosímetro fann b) Colocar el recipiente debajo del aparato y sumergir el rotor hasta la marca de referencia, se arranca el motor dándole agitación a la muestra hasta que la temperatura sea uniforme (realizar ensayo a temperatura ambiente, 100 y130 F) c) Tomar las lecturas en el dial, comenzando por revoluciones altas y luego se leen los demás d) Anotar las desviaciones del dial para las diferentes lecturas en la hoja de datos
4. CALCULOS 4.1 CALCULO PARA HIDROMETRO 1. Para las muestras opacas, aplique la corrección del menisco correspondiente indicado en la Tabla 1 a la lectura del hidrómetro observado, ya que los hidrómetros son calibrados para ser leídos en la superficie principal del líquido. NOTA -La corrección del menisco para un hidrómetro particular en uso se determina observando la altura máxima por encima de la superficie principal del líquido al que
el líquido se eleva en la escala del hidrómetro cuando el hidrómetro en cuestión se sumerge en un líquido transparente que tiene una tensión superficial similar A la de la muestra sometida a ensayo. Para los hidrómetros especificados en este método de ensayo, las correcciones de la Tabla 1 son aproximadas.
Tabla 1 2. Aplicar cualquier corrección del hidrómetro y leer y registrar la lectura de la escala del hidrómetro corregida a 0,1 kg / m3 más cercano en densidad, 0,0001 g / mL, kg / L o densidad relativa, o 0,1 ° API. 3. Si el hidrómetro ha sido calibrado a una temperatura distinta de la temperatura de referencia, utilice la siguiente ecuación para corregir la lectura de la escala del hidrómetro:
Donde:
= Lectura del hidrómetro a la temperatura de referencia, r ° C, y = Lectura del hidrómetro en la escala del hidrómetro cuya temperatura de referencia es t ° C. . 4. Para convertir las densidades expresadas en kg / m3 a las densidades expresadas en g / mL o kg / L, divida por 103.
4.2 CALCULO PARA VISCOSIMETRO FANN 1. Elaborar una tabla de resultados obtenidos de esfuerzo de corte en relación con la velocidad de corte 2. Calcular valores de esfuerzo y velocidad de corte para cada par de valores obtenidos 3. Graficar esfuerzo de corte vs velocidad de corte 4. Utilizando un par de valores calcular la viscosidad cinemática
4.3 CALCULO PARA CONSTANTE VISCOSIDAD-GRAVEDAD 1. Calcule el valor de la constante haciendo uso de la ecuación, utilice los resultados de viscosidad cinemática y densidad de la muestra determinados experimentalmente.
5. PRESENTACION DE CALCULOS INFORME 5.1 HIDROMETRO - Informe el valor final como gravedad API a la aproximación de 0,1 ° API. - Informe el valor final como densidad, en gramos por mililitros, a la temperatura de referencia.
5.2 VISCOSIMETRO FANN - Informe el valor final de viscosidad cinemática en unidades de centistoke - Informe los valores de viscosidad cinemática que obtendría al realizar, cálculos para cada par de valores (velocidad de corte-esfuerzo de corte)
- explique el resultado del punto anterior en relación al comportamiento de fluidos newtonianos
5.3 CONSTANTE VISCOSIDAD-GRAVEDAD - Informe el valor de la constante de viscosidad-gravedad y según el resultado obtenido clasifique la muestra obtenida, según la teoría proporcionada en la guía
HOJA DE DATOS 1. DETERMINACION DE LA GRAVEDAD API HIDROMETRO Gravedad API
Temperatura
PROMEDIO
2. DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD
Velocidad (RPM) 600 300 100 3
Esfuerzo de corte
